(57)【要約】  本発明の回折格子レンズは、ベース形状に回折格子５２が設けられてできる表面５１ｂを有するレンズ基体５１を備える。回折格子５２は、複数の輪帯６１Ａ、６１ｂおよび複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の第１の回折段差６５Ａおよび第２の回折段差６５Ｂを有し、レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、第１の回折段差６５Ａおよび第２の回折段差６５Ｂのそれぞれは、実質的に同じ高さｄを有する。高さｄは、ｍを回折次数として、下記式（１）を満足する。第１の回折段差６５Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａおよび第２の回折段差６５Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂは光軸５３上において、互いに異なる位置にある。    【数１８】2011052188.tif 000021
2011052188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース形状に回折格子が設けられてできる表面を有するレンズ基体を備える回折格子レンズであって、
前記回折格子は、前記レンズ基体のレンズ直径内の領域において複数の輪帯および前記複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の回折段差を有し、
前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、
前記複数の回折段差のそれぞれは、実質的に同じ高さｄを有し、
前記高さｄは、ｍを回折次数として、下記式（１）を満足し、
【数１３】
2011052188.tif 000016
前記複数の回折段差は、複数の第１の回折段差および前記複数の第１の回折段差の少なくとも１つに隣接する少なくとも１つの第２の回折段差を含み、
前記複数の第１の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記回折格子の光軸方向に平行移動させた第１の面上に位置しており、前記少なくとも１つの第２の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記光軸方向に平行移動させた第２の面上に位置しており、
前記第１の面および前記第２の面は前記光軸上において、互いに異なる位置にある回折格子レンズ。
【請求項２】
ベース形状に回折格子が設けられてできる表面を有するレンズ基体と、
前記レンズ基体の表面を覆うように設けられた光学調整膜と
を備える回折格子レンズであって、
前記回折格子は、前記レンズ基体のレンズ直径内の領域において複数の輪帯および前記複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の回折段差を有し、
前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、
前記光学調整膜は、前記使用波長λにおいて屈折率ｎ2（λ）である第２の材料からなり、
前記複数の回折段差のそれぞれは、実質的に同じ高さｄを有し、
前記高さｄは、ｍを回折次数として、下記式（２）を満足し、
【数１４】
2011052188.tif 000017
前記複数の回折段差は、複数の第１の回折段差および前記複数の第１の回折段差の少なくとも１つに隣接する少なくとも１つの第２の回折段差を含み、
前記複数の第１の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記回折格子の光軸方向に平行移動させた第１の面上に位置しており、前記少なくとも１つの第２の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記光軸方向に平行移動させた第２の面上に位置しており、
前記第１の面および前記第２の面は前記光軸上において、互いに異なる位置にある回折格子レンズ。
【請求項３】
前記複数の回折段差は、複数の第２の回折段差を含み、
各第１の回折段差および各第２の回折段差は交互に配置されている請求項１または２に記載の回折格子レンズ。
【請求項４】
前記第１の面と前記第２の面と前記光軸上における間隔Ｌは、下記式（３）を満たす請求項１から３のいずれかに記載の回折格子レンズ。
【数１５】
2011052188.tif 000018
【請求項５】
前記第１の面と前記第２の面と前記光軸上における間隔Ｌは、下記式（４）を満たす請求項１から３のいずれかに記載の回折格子レンズ。
【数１６】
2011052188.tif 000019
【請求項６】
前記第１の面と前記第２の面と前記光軸上における間隔Ｌは、Ｌ＝０．５ｄを満たす請求項１から３のいずれかに記載の回折格子レンズ。
【請求項７】
前記複数の回折段差は、複数の第２の回折段差を含み、
前記複数の第１の回折段差および前記複数の第２の回折段差は、それぞれ、ｉ個（ｉは２以上の整数）およびｊ個（ｊは２以上の整数）ずつ連続的に配置され、かつ、ｉ個の前記第１の回折段差およびｊ個の前記第２の回折段差が交互に配置されている請求項１または２に記載の回折格子レンズ。
【請求項８】
前記使用波長λは可視光域の波長であり、可視光域の全域の波長に対して式（２）を実質的に満足する請求項２または３に記載の回折格子レンズ。
【請求項９】
ベース形状に回折格子が設けられてできる表面を有するレンズ基体を備える回折格子レンズであって、
前記回折格子は、複数の輪帯および前記複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の回折段差を有し、
前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、
前記複数の回折段差のそれぞれは、ｍを回折次数として、下記式（１）で示される高さｄを有し、
【数１７】
2011052188.tif 000020
前記複数の輪帯は、互いに隣接する第１、第２および第３の輪帯を含み、前記第２の輪帯は前記第１および第３の輪帯に挟まれており、前記第１の輪帯および第２の輪帯の幅は略同一であり、前記第２の輪帯の幅は前記第１の輪帯の幅よりも狭い回折格子レンズ。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の回折格子レンズと、
撮像素子と
を備えた撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折現象を利用して光の集光または発散を行う回折光学レンズ（回折光学素子）およびそれを用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズ基体に回折格子が設けられ、回折現象を利用して光の集光または発散を行う回折光学素子は回折格子レンズと呼ばれている。回折格子レンズは、像面湾曲や色収差（波長による結像点のずれ）等のレンズの収差を補正するのに優れていることが広く知られている。これは、回折格子が、光学材料によって生じる分散性とは逆の分散性（逆分散性）を有していたり、光学材料の分散の直線性から逸脱した分散性（異常分散性）を有していたりするためである。このため、通常の光学素子と組み合わせることにより、回折格子レンズは大きな色収差補正能力を発揮する。【０００３】
また、回折格子を撮像用光学系に用いた場合、非球面レンズのみによって構成される撮像用光学系に比べ、少ないレンズ枚数で同一性能を得ることができる。したがって、撮像用光学系の製造コストを低減させることができるとともに、光学長を短くすることができ、低背化を実現できるという利点がある。【０００４】
図１８（ａ）から（ｃ）を参照しながら、従来の回折格子レンズの形状を設計する方法説明する。回折格子レンズは、主に位相関数法または高屈折率法によって設計される。ここでは、位相関数法を用いた設計方法を説明する。高屈折率法によって設計する場合も、最終的に得られる結果は同じである。【０００５】
回折格子レンズの形状は、回折格子が設けられるレンズ基体のベース形状と、回折格子の形状とから形成される。図１８（ａ）は、レンズ基体の表面形状が非球面形状Ｓｂである場合の一例を示しており、図１８（ｂ）は、回折格子の形状Ｓｐ１の一例を示している。図１８（ｂ）に示す回折格子の形状Ｓｐ１は、位相関数により決定される。位相関数は、下記式（５）で示される。
【数１】
2011052188.tif 000003
ここで、φ（ｒ）は位相関数、Ψ（ｒ）は光路差関数（ｚ＝Ψ（ｒ））、ｒは光軸からの半径方向の距離、λ0は設計波長、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ａ６、・・・、ａｉは係数である。【０００６】
１次の回折光を利用した回折格子の場合、図１８（ｂ）に示すように、位相関数φ（ｒ）において基準点（中心）からの位相が２ｎπ（ｎは１以上の自然数）になるごとに位相差関数の曲線を分断する。この２ｎπごとに分断された位相差関数の曲線による形状Ｓｐ１を図１８（ａ）の非球面形状Ｓｂに足し合わせることによって、図１８（ｃ）に示す回折格子面の形状Ｓｂｐ１が決定される。位相差関数から光路差関数への変換は式（５）の関係を用いる。【０００７】
図１８（ｃ）に示す回折格子面の形状Ｓｂｐ１が実際のレンズ基体に設けられる場合、輪帯の段差高さ１６１が下記式（１）を満たせば回折効果が得られる。
【数２】
2011052188.tif 000004
ここで、ｍは設計次数（１次の回折光の場合はｍ＝１）であり、λは使用波長であり、ｄは回折格子の段差高さであり、ｎ1（λ）は使用波長λにおけるレンズ基体を構成するレンズ材料の屈折率である。レンズ材料の屈折率は波長依存性があり、波長の関数である。式（１）を満たすような回折格子であれば、輪帯の根元と先端とで、位相関数上において位相差が２πとなり、使用波長λの光に対して、光路差が波長の整数倍となる。このため、使用波長の光に対する１次回折光の回折効率（以下、「１次回折効率」という。）を、ほぼ１００％にすることができる。波長λが変化すれば、式（１）に従って、回折効率が１００％となるｄの値も変化する。逆に、ｄの値が固定されれば、式（１）を満たす波長λ以外の波長では回折効率が１００％とならない。【０００８】
しかし、回折格子レンズを一般的な撮像用途に用いる場合、広い波長帯域（例えば、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の可視光域等）の光を回折する必要がある。その結果、図１９に示すように、レンズ基体１７１に回折格子１７２が設けられた回折格子レンズに可視光線１７３が入射する場合、使用波長λとして決定した波長の光による１次回折光１７５以外に不要な次数の回折光１７６（以下、「不要次数回折光」とも言う。）が発生する。例えば、段差高さｄを決定する波長を緑の波長（例えば５４０ｎｍ）とした場合、緑波長における１次回折効率は１００％となり、緑波長の不要次数回折光１７６は発生しないが、赤波長（例えば６４０ｎｍ）や青波長（例えば４４０ｎｍ）では１次回折効率が１００％とはならず、赤の０次回折光や青の２次回折光が発生する。これら赤の０次回折光や青の２次回折光が不要次数回折光１７６であり、フレアやゴーストとなって像面上に広がって画像を劣化させたり、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function：変調伝達関数）特性を低下させたりする。【０００９】
特許文献１は、図２０に示すように、回折格子１７２が形成されたレンズ基体１７１の表面上に、レンズ基体とは異なる屈折率および屈折率分散（refractive index dispersion）を有する光学材料からなる光学調整膜１８１を設けることを開示している。特許文献１は、回折格子１７２が形成された基体１７１の屈折率と、回折格子１７２を覆うように形成された光学調整膜１８１の屈折率とを特定の条件に設定することにより、回折効率の波長依存性を低減し、不要次数回折光を低減し、不要次数回折光によるフレアを抑制することができると開示している。【００１０】
また、特許文献２は、図１９の一般的な回折格子レンズを用いたカメラでの撮影において、不要次数回折光１７６の２次元点像分布から最小二乗法によるフィッティングで不要次数回折光１７６の絶対量を求め、除去する方法を開示している。【００１１】
特許文献３は、１コマ目の撮影で飽和している画素が存在する場合、その画素が飽和しないように２コマ目の撮影を行い、そのときの露光時間の調整値から不要次数回折光１７６の絶対量を求め、不要次数回折光１７６を除去する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平０９―１２７３２１号公報
【特許文献２】特開２００５―１６７４８５号公報
【特許文献３】特開２０００―３３３０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本願発明者は、回折格子レンズの回折格子面上の輪帯ピッチを小さくしていく、あるいは非常に光強度が高い被写体を撮影すると、上述した不要次数回折光１７６とは異なる縞状フレア光が発生することを見出した。このような縞状フレア光が回折格子レンズにおいて発生することは知られていない。また、本願発明者によれば、特定の条件下では、縞状フレア光が、撮影された画像の品質を大きく低下させる可能性があることが分かった。【００１４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、縞状フレア光発生を抑制することのできる回折格子レンズおよびそれを用いた撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の回折格子レンズは、ベース形状に回折格子が設けられてできる表面を有するレンズ基体を備え、前記回折格子は、前記レンズ基体のレンズ直径内の領域において複数の輪帯および前記複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の回折段差を有し、前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、前記複数の回折段差のそれぞれは、実質的に同じ高さｄを有し、前記高さｄは、ｍを回折次数として、下記式（１）を満足し、
【数３】
2011052188.tif 000005
前記複数の回折段差は、複数の第１の回折段差および前記複数の第１の回折段差の少なくとも１つに隣接する少なくとも１つの第２の回折段差を含み、前記複数の第１の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記回折格子の光軸方向に平行移動させた第１の面上に位置しており、前記少なくとも１つの第２の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記光軸方向に平行移動させた第２の面上に位置しており、前記第１の面および前記第２の面は前記光軸上において、互いに異なる位置にある。【００１６】
また、本発明の回折格子レンズは、ベース形状に回折格子が設けられてできる表面を有するレンズ基体と、前記レンズ基体の表面を覆うように設けられた光学調整膜とを備え、前記回折格子は、前記レンズ基体のレンズ直径内の領域において複数の輪帯および前記複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の回折段差を有し、前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、前記光学調整膜は、前記使用波長λにおいて屈折率ｎ2（λ）である第２の材料からなり、前記複数の回折段差のそれぞれは、実質的に同じ高さｄを有し、前記高さｄは、ｍを回折次数として、下記式（２）を満足し、
【数４】
2011052188.tif 000006
前記複数の回折段差は、複数の第１の回折段差および前記複数の第１の回折段差の少なくとも１つに隣接する少なくとも１つの第２の回折段差を含み、前記複数の第１の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記回折格子の光軸方向に平行移動させた第１の面上に位置しており、前記少なくとも１つの第２の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記光軸方向に平行移動させた第２の面上に位置しており、前記第１の面および前記第２の面は前記光軸上において、互いに異なる位置にある。【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記複数の回折段差は、複数の第２の回折段差を含み、各第１の回折段差および各第２の回折段差は交互に配置されている。【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記第１の面と前記第２の面と前記光軸上における間隔Ｌは、下記式（３）を満たす。
【数５】
2011052188.tif 000007
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記第１の面と前記第２の面と前記光軸上における間隔Ｌは、下記式（４）を満たす。
【数６】
2011052188.tif 000008
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記第１の面と前記第２の面と前記光軸上における間隔Ｌは、Ｌ＝０．５ｄを満たす。【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記複数の回折段差は、複数の第２の回折段差を含み、前記複数の第１の回折段差および前記複数の第２の回折段差は、それぞれ、ｉ個（ｉは２以上の整数）およびｊ個（ｊは２以上の整数）ずつ連続的に配置され、かつ、ｉ個の前記第１の回折段差およびｊ個の前記第２の回折段差が交互に配置されている。【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記使用波長λは可視光域の波長であり、可視光域の全域の波長に対して式（２）を実質的に満足する。【００２３】
本発明の回折格子レンズは、ベース形状に回折格子が設けられてできる表面を有するレンズ基体を備え、前記回折格子は、複数の輪帯および前記複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の回折段差を有し、前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、前記複数の回折段差のそれぞれは、ｍを回折次数として、下記式（１）で示される高さｄを有し、
【数７】
2011052188.tif 000009
前記複数の輪帯は、互いに隣接する第１、第２および第３の輪帯を含み、前記第２の輪帯は前記第１および第３の輪帯に挟まれており、前記第１の輪帯および第２の輪帯の幅は略同一であり、前記第２の輪帯の幅は前記第１の輪帯の幅よりも狭い。【００２４】
本発明の撮像装置は、上記いずれかに記載の回折格子レンズと、撮像素子とを備える。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、複数の第１の回折段差の先端は、ベース形状を回折格子の光軸方向に平行移動させた第１の面上に位置しており、少なくとも１つの第２の回折段差の先端は、ベース形状を前記光軸方向に平行移動させた第２の面上に位置しており、第１の面および前記第２の面は前記光軸上において、互いに異なる位置にある。これにより、輪帯幅が異なる２種類の輪帯が回折格子に含まれるようになり、輪帯幅が異なる２種類の輪帯によって生じる縞状フレアが互いに干渉し合い、縞状フレアの発生が抑制される。【００２６】
また、本発明の回折格子レンズを含む撮像装置を用いて、強い光源を撮影する場合にも、縞状フレア光が少ない画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）は、本発明による回折格子レンズの第１の実施形態の断面図であり、（ｂ）は回折格子近傍を拡大して示す断面図である。
【図２】（ａ）から（ｃ）は、本発明による回折格子レンズの回折格子面形状の導出方法を示す図であって、（ａ）はベース形状を示す図であり、（ｂ）は位相差関数を示す図であり、（ｃ）は回折格子の表面形状を示す図である。
【図３】図１に示す回折格子レンズにおいて縞状フレアが抑制される理由を説明するための図である。
【図４】図２（ｃ）に示す回折格子とは異なる位置に回折段差を設けた回折格子の表面形状を示す図である。
【図５】（ａ）から（ｃ）は、第１の実施形態における輪帯の位置を示す模式図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、本発明による回折格子レンズの第２の実施形態の断面図である。
【図７】本発明による撮像装置の実施形態の断面図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、本発明による積層型光学系の実施形態の断面図および平面図であり、（ｃ）および（ｄ）は、本発明による積層型光学系の他の実施形態の断面図および平面図である。
【図９Ａ】（ａ）から（ｅ）は、実施例１の回折段差の位置を示す模式図である。
【図９Ｂ】（ｆ）から（ｊ）は、実施例１の回折段差の位置を示す模式図である。
【図１０Ａ】（ａ）から（ｆ）は、実施例１の回折格子レンズに画角６０度方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像図である。
【図１０Ｂ】（ｇ）から（ｊ）は、実施例１の回折格子レンズに画角６０度方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像図である。
【図１１】実施例１の回折段差の位置のシフト量と縞状フレア最大強度比率との関係を示す図である。
【図１２】実施例２の回折段差の位置を示す模式図である。
【図１３】（ａ）から（ｅ）は、実施例２の回折格子レンズに画角６０度方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像図である。
【図１４】実施例２の回折段差の位置のシフト量と縞状フレア最大強度比率との関係を示す図である。
【図１５】実施例３の回折段差の位置を示す模式図である。
【図１６】（ａ）から（ｅ）は、実施例３の回折格子レンズに画角６０度方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像図である。
【図１７】実施例３の回折段差の位置のシフト量と縞状フレア最大強度比率との関係を示す図である。
【図１８】（ａ）から（ｃ）は、従来の回折格子レンズの回折格子面形状の導出方法を示す図であって、（ａ）はベース形状を示す図であり、（ｂ）は位相差関数を示す図であり、（ｃ）は回折格子の表面形状を示す図である。
【図１９】従来の回折格子レンズにおいて、不要回折光が発生する様子を表す図である。
【図２０】レンズ基体に光学調整膜が設けられた従来の回折格子レンズを示す断面図である。
【図２１】光軸方向から見た回折格子の輪帯を示す図である。
【図２２】輪帯を通過した光線束が集光される撮像素子上に縞状フレアが発生する様子を表す模式図である。
【図２３】（ａ）は従来の回折格子レンズを備えた撮像装置を用いて撮影された画像の一例であり、（ｂ）は（ａ）に示す画像の一部を拡大した画像の一例であり、縞状フレアが発生している様子を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
まず、本願発明者が明らかにした回折格子レンズによって生じる縞状フレア光について説明する。
【００２９】
図２１に示すように、回折格子１７２が設けられた回折格子レンズにおいて、輪帯２１のそれぞれは、同心円状に配置される回折段差に挟まれている。このため、隣り合った２つの輪帯２１を透過する光の波面間に設けられた回折段差によって分断される。輪帯２１のそれぞれを透過する光は、輪帯２１のピッチΛの幅を有するスリットを通過する光と見なすことができる。輪帯２１のピッチΛが小さくなると、回折格子レンズを透過するレンズは、同心円状に配置された非常に狭いスリットを通過する光と見なすことができ、回折段差近傍で、光の波面の回り込みが見られるようになる。図２２は、回折格子１７２が設けられたレンズ基体１７１に光が入射し、出射光が回折格子１７２によって回折する様子を模式的に示している。
【００３０】
一般に、非常に狭く遮光されたスリットを通過した光は、無限遠の観測点において回折縞を形成する。これをフラウンホーファー回折という。この回折現象は正の焦点距離を有するレンズ系を含むことによって、有限距離（焦点面）でも発生する。
【００３１】
本願発明者は、輪帯２１のピッチΛが小さくなると、各輪帯２１を透過した光が互いに干渉し、図２２に示すような、蝶が羽を広げたような形の縞状フレア１９１が発生することを実レンズによる画像評価で確認した。
【００３２】
また、この縞状のフレアは、従来より知られている不要次数回折光を発生させる入射光よりもさらに多量の光が撮像用光学系に入射したときにより顕著に現れること、また、不要次数回折光は特定の波長に対しては発生しないが、縞状フレア光は設計波長を含め使用波長帯域全域で発生することが分かった。
【００３３】
縞状フレアは、画像上で、不要次数回折光よりも大きく広がって画質を劣化させる。特に、夜間などの真っ暗な背景にライトなどの明るい被写体を写し出す場合などコントラスト比が大きい過激な環境下では、縞状フレア光１９１は特に目立ち、問題となる。また、縞状フレア光１９１は縞状に明暗がはっきりとして発生するため、不要次数回折光１７６よりも目立ち問題となる。
【００３４】
図２３（ａ）は従来の回折格子レンズを備えた撮像装置を用いて撮影された画像の一例を示している。図２３（ａ）に示す画像は、蛍光灯が点燈している室内様子を示す画像である。図２３（ｂ）は図２３（ａ）に示す画像のうち、蛍光灯近傍の拡大画像である。図２３（ｂ）に示すように、蛍光灯の下部近傍に明るい光が縞状フレアである。
【００３５】
本願発明者はこの課題を解決するために、新規な構造を備えた回折光学素子およびそれを用いた撮像装置を想到した。以下、図面を参照しながら、本発明による回折格子レンズの実施形態を説明する。
【００３６】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明による回折格子レンズの第１の実施形態を示す断面図である。第１の実施形態の回折格子レンズ１１はレンズ基体５１を備える。レンズ基体５１は第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂを有し、第２の表面５１ｂに回折格子５２が設けられている。
【００３７】
本実施形態では、回折格子５２は第２の表面５１ｂに設けられているが、第１の表面５１ａに設けられていてもよく、第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂの両方に設けられていてよい。
【００３８】
また、本実施形態では、第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂのベース形状は非球面形状であるが、ベース形状は球面や、平板形状であってもよい。第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂの両方のベース形状が同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂのベース形状はそれぞれ凸型非球面形状であるが、凹型非球面形状であってもよい。さらに、第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂのベース形状のうち一方が、凸型であり、他方が凹型であってもよい。
【００３９】
本願明細書において、「ベース形状」とは、回折格子５２の形状が付与される前のレンズ基体５１の表面の設計上の形状を言う。回折格子５２などの構造物が表面に付与されていなければ、レンズ基体５１の表面がベース形状を有している。本実施形態では第１の表面５１ａには回折格子が設けられていないため、第１の表面５１ａのベース形状は第１の表面５１ａが有する表面形状であり、非球面形状である。
【００４０】
一方、第２の表面５１ｂは、ベース形状に回折格子５２が設けられることによって構成されている。第２の表面５１ｂには回折格子５２が設けられているため、回折格子５２が設けられた状態では、レンズ基体５１の第２の表面５１ｂは非球面形状ではない。しかし、回折格子５２は以下に説明するように所定の条件に基づく形状を有するため、回折格子５２が設けられた第２の表面５１ｂの形状から回折格子５２の形状を差し引くことによって、第２の表面５１ｂのベース形状を特定することができる。
【００４１】
回折格子５２は、複数の輪帯６１Ａ、６１Ｂと複数の回折段差６５Ａ、６５Ｂとを有し、輪帯６１Ａ、６１Ｂの間にそれぞれ１つの回折段差６５Ａ、６５Ｂが設けられている。輪帯６１Ａ、６１Ｂは、回折段差６５Ａ、６５Ｂによって挟まれたリング状の凸部である。本実施形態では、輪帯６１Ａ、６１Ｂは、第１の表面５１ａのベース形状および第２の表面５１ｂのベース形状である非球面の光軸５３を中心とし、同心円状に配置されている。つまり、回折格子５２の光軸は非球面の光軸５３と一致する。輪帯６１Ａ、６１Ｂは同心円状に配置されている必要はない。しかし、撮像用途の光学系において、収差特性を良好にするためには、輪帯６１Ａ、６１Ｂの輪帯形状が光軸５３に対し回転対称であることが望ましい。
【００４２】
図１（ａ）に示すように、従来とは異なり、回折格子５２の回折段差６５Ａ、６５Ｂのうち、回折段差６５Ｂは、位相関数における基準点からの位相差が２ｎｍπ以外の位置に設けられ、回折段差６５Ａは従来と同様、位相関数における基準点からの位相差が２ｎｍπの位置に設けられている。ここでｎは正の整数であり、ｍは回折次数である。回折次数自体は、０および正または負の整数で定義されるが、回折次数が０であれば回折は生じない。このため、本発明では、ｍは正または負の整数である。
【００４３】
図２（ａ）から（ｃ）を参照して回折格子５２の構造および回折格子５２を有する第２の表面５１ｂの形状の設計方法を説明する。
【００４４】
上述したように、回折格子レンズ１１の第２の表面５１ｂの形状は、回折格子が設けられるレンズ基体５１のベース形状と、ベース形状に設けられる回折格子５２そのもの形状とから構成される。図２（ａ）は、第２の表面５１ｂにおけるベース形状が非球面形状Ｓｂである場合の一例を示しており、図２（ｂ）は、回折格子５２の形状Ｓｐ２の一例を示している。図２（ｂ）に示す回折格子の形状Ｓｐ２は、位相関数により決定される。位相関数は、前述の式（５）で示される。
【数８】
2011052188.tif 000010
ここで、φ（ｒ）は位相関数、Ψ（ｒ）は光路差関数（ｚ＝Ψ（ｒ））、ｒは光軸からの半径方向の距離、λ0は設計波長、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ａ６、・・・、ａｉは係数である。
【００４５】
１次の回折光を利用する場合、つまりｍ＝１の場合、図２（ｂ）に示すように、位相関数φ（ｒ）において基準点（中心）からの位相差が２ｎπになる位置、および、２ｎπ以外の位置において、位相差関数の曲線の形状Ｓｐを分断し、分断された曲線を２ｎπだけマイナス方向へシフトさせる。つまり、これらの位置に回折段差を設ける。その結果、図２（ｂ）に示すように、回折格子５２の形状Ｓｐ２は、分断された曲線部分ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４、ｓ５・・・によって構成される。図２（ｂ）において破線で示す曲線部分ｓａは従来の回折格子であれば、基準点からの位相差が２πと４πの間であるため、曲線部分ｓ１に接続される。しかし、本実施形態では、２ｎπ以外の位置で分断する結果、ｓａ’として曲線部分ｓ２に接続されている。この分断された位相差関数の曲線による形状Ｓｐ２を図２（ａ）の非球面形状Ｓｂに足し合わせることによって、図２（ｃ）に示す回折格子面の形状Ｓｂｐ２が決定される。なお、位相差関数から光路差関数への変換は式（５）の関係を用いる。また、位相関数は、式（５）において定数項を含むものであってもよい。この場合、基準点が０ではなくなり、回折段差の位置は図２（ｂ）において、全体的に一定量ｒ方向にシフトすることになる。
【００４６】
図２（ｃ）に示す回折格子面の形状Ｓｂｐ２が実際のレンズ基体に設けられる場合、輪帯の回折段差の高さｄが下記式（１）を満たせば回折効果が得られる。
【数９】
2011052188.tif 000011
ここで、ｍは設計次数（１次の回折光の場合はｍ＝１）であり、λは使用波長であり、ｄは回折格子の段差高さであり、ｎ1（λ）は使用波長λにおけるレンズ基体を構成するレンズ材料の屈折率である。レンズ材料の屈折率は波長依存性があり、波長の関数である。
【００４７】
回折格子レンズ１１を撮像等に用いる場合、レンズ直径内の領域には同一または同一波長領域の使用波長の光が入射し、同一の回折次数で光を回折させるものとして回折格子５２が設計される。このため、レンズ直径内の領域の回折段差６５Ａ、６５Ｂのそれぞれの段差高ｄさは、式（１）に従い、実質的に同じ値に設計される。実質的に同じ値とは、例えば、回折段差６５Ａ、６５Ｂのそれぞれの段差高ｄが以下の式（１’）を満たしていることを言う。
【数１０】
2011052188.tif 000012
ここで、レンズ直径とは、回折格子レンズ１１において、所定の集光または発散機能が付与された部分を光軸に垂直な面に投影して得られる円形領域（レンズ領域）の直径を言う。
【００４８】
なお、使用波長λは、設計波長λ0と一般的には一致するが、異なっていてもよい。位相差関数で用いる設計波長は、例えば、収差を低減するために可視光域の真ん中（５４０ｎｍなど）に決定する。これに対し、回折段差の高さｄに用いる使用波長λは、例えば回折効率を重視して決定される。このため、回折効率が可視光域全体において、中心波長に対して非対称な分布をする場合、使用波長λを可視光域の真ん中から少しずらす場合がある。この場合には、使用波長λは設計波長λ0と異なる。
【００４９】
図２（ｃ）に示す回折格子面の形状Ｓｂｐ２は、レンズ基体５１の第２の表面５１ｂの実際の形状である。ただし、ｚ方向、つまり、光路差はレンズ基体５１とこれに接する媒体との屈折率差および使用する光の波長に依存する。図２（ｂ）に示す位相差関数の曲線による形状Ｓｐ２は、基準点からの位相差が２ｎπになる位置、および、２ｎπ以外の位置において、分断されているため、図２（ｂ）の位相関数の値を光路長に換算し、図２（ａ）に示すレンズ基体の表面形状Ｓｂに足し合わせる。このようにすれば、分断された位置、つまり、回折段差は、設計波長λ0におけるベース形状からの光路差が波長の整数倍（位相関数上の２ｍπ）になる位置、および、整数倍（位相関数上の２ｎπ）以外の位置に設けられることになる。具体的には、波長の整数倍（位相関数上の２ｎπ、ｎ＝１、３、５、・・・）になる位置に設けられた回折段差６５Ａと整数倍（位相関数上の２ｎπ、ｎ＝２、４、６、・・・）以外の位置に設けられた回折段差６５Ｂとが存在する（図２は、ｍ＝１の場合を示している。）。回折段差６５Ａおよび回折段差６５Ｂは光軸５３から外側にむかって交互に配置されている。回折段差６５Ａおよび回折段差６５Ｂの高さはいずれも設計波長λ0における位相差２πに相当する値ｄである。この構成により、回折格子５２には２種類の輪帯６１Ａおよび輪帯６１Ｂが含まれる。その結果、隣接する輪帯６１Ａと輪帯６１Ｂとでは、輪帯６１Ａの輪帯面６２Ａおよび輪帯幅が相対的に短く、輪帯６１Ｂの輪帯面６２Ｂおよび輪帯幅が相対的に長い。このように、輪帯幅あるいは、輪帯面の幅が異なる２種類の輪帯６１Ａと輪帯６１Ｂとが回折格子５２に含まれることによって、縞状フレアを抑制することができる。詳細は後述する。
【００５０】
図１（ｂ）は、回折格子５２が設けられたレンズ基体の表面５１ｂを拡大して示す断面図である。前述のように、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎになる位置と２ｎπ以外となる位置で位相関数の曲面を分断し、回折段差を設ける設計方法により、表面５１ｂは、以下に示す構成を有すると言える。図１（ｂ）に示すように、表面５１ｂにおいて、各輪帯６１Ａの先端６３Ａは、ベース形状Ｓｂを回折格子５２の光軸方向に平行移動させた第１の面６６Ａ上に位置する。同様に、各輪帯６１Ｂの先端６３Ｂは、ベース形状Ｓｂを回折格子５２の光軸方向に平行移動させた第１の面とは異なる第２の面上に位置する。回折段差６５Ｂが２ｎπ以外の位置であって、かつ、隣接する回折段差６５Ｂ同士の位相差が２ｎπである場合、各輪帯６１Ｂの先端６３Ｂは、ベース形状Ｓｂを回折格子５２の光軸方向に平行移動させた第１の面６６Ａとは異なる同一の第２の面６６Ｂ上に位置する。第１の面６６Ａと第２の面６６Ｂの回折格子５２の光軸上における間隔Ｌは、回折段差６５Ａおよび回折段差６５Ｂの高さｄ以下の値となる。
【００５１】
つまり、すべての輪帯の先端が、ベース形状Ｓｂを回折格子５２の光軸方向に平行移動させた１つの面上にない場合、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎπ以外の位置に少なくとも１つの回折段差が設けられており、これにより、その回折段差を挟んだ隣接する２つの輪帯の幅が異なっている。
【００５２】
輪帯６１Ａの根元６４Ａおよび輪帯６１Ｂの根元６４Ｂについても同様である。各輪帯６１Ａの根元６４Ａは、ベース形状Ｓｂを光軸方向に平行移動させた曲面上に位置し、各輪帯６１Ｂの根元６４Ｂは、ベース形状Ｓｂを光軸方向に平行移動させた曲面上に位置する。ただし、根元６４Ａが位置する曲面は根元６４Ｂが位置する曲面と異なっている。
【００５３】
従来の回折格子レンズでは、基準点からの位相差が２ｎπになる位置で位相関数を分断することで回折段差を設けていたため、各輪帯の先端は、すべてベース形状を光軸方向に平行移動させた１つの曲面上に位置する。同様に各輪帯の根元も、すべてベース形状を光軸方向に平行移動させた１つの曲面上に位置する。このため、上述した回折格子の構造は本発明に特有であると言える。
【００５４】
また、図１８（ｂ）、（ｃ）に示すように、従来の回折格子レンズでは、回折格子の外周側ほど輪帯の幅が狭くなるものの、連続して隣接する３つ程度の輪帯間では、輪帯の幅はほぼ同一である。これに対し、本実施形態の回折格子レンズ１１では、輪帯６１Ａとこれを挟む２つの輪帯６１Ｂに注目した場合、輪帯６１Ａを挟むように隣接した２つ輪帯６１Ｂの幅は、同一であり、２つ輪帯６１Ｂに挟まれた輪帯６１Ａの幅は、２つ輪帯６１Ｂの幅よりも狭くなっている。ここで同一とは、２つの輪帯の幅が一致する場合のみならず、２つの幅が一致しない場合でも長い方の輪帯の幅が短い方の輪帯の幅の１．０５倍以内である場合も含む。
【００５５】
図３は、回折格子５２が設けられた回折格子レンズ１１において、縞状フレアが低減される理由を説明するためのグラフである。図３に示すように、輪帯幅が狭い輪帯１によるフラウンホーファー回折の光（回折縞）では、径方向における波の間隔が相対的に広くなっており、輪帯幅が広い輪帯２によるフラウンホーファー回折の光では、径方向における波の間隔が相対的に狭くなっている。中心付近の振幅強度は、輪帯幅が反映されるため、輪帯１によるフラウンホーファー回折の光の強度が弱くなり、輪帯２によるフラウンホーファー回折の光の強度が強くなる。輪帯１および輪帯２によるフラウンホーファー回折の光を足し合わせたものが本実施形態の回折格子によるフラウンホーファー回折の光である。図３から分かるように、輪帯１および輪帯２によるフラウンホーファー回折の光の径方向における波の間隔が異なるため、中心付近以外の位置では、波が打ち消し合い、従来の回折格子によるフラウンホーファー回折の光に比べ、光の振幅が小さくなっている。つまり、縞状フレアが低減されている。
【００５６】
この効果は、上述の説明から分かるように、位相関数上の基準点からの位相差が２ｍπになる位置、および、２ｎπ以外の位置に回折段差が設けられ、隣接する輪帯６１Ａと輪帯６１Ｂとの幅が異なることによって生じる。したがって、位相差が２ｎπ以外であれば、回折段差６５Ｂは任意の位置に設けることができる。
【００５７】
好ましくは、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎπ以外のところに設ける回折段差６５Ｂの位置はπ／５以上の偏差つまり２ｎπの位置から±１０％以上シフトしている。シフト量が±１０％以内であれば、２種類のフラウンホーファー回折の光の干渉の効果が十分ではないからである。より好ましくは、シフト量は、−４０％〜−９０％の範囲であり、さらに好ましくは、−４０％〜−６０％の範囲である。
【００５８】
図２（ｂ）に示すように、位相関数上において、２ｎπ以外の位置に設けた回折段差の２ｎπの位置からのシフト量δは、２ｎπの位置に設けた回折段差の先端と２ｎπ以外の位置に設ける回折段差の先端とのシフト量δ’と一致する。このため、上述した回折段差６５Ｂの２ｎπの位置からの好ましいシフト量は、図１（ｂ）を参照して説明した、輪帯６１Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａと、輪帯６１Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂとの回折格子５２の光軸上における間隔Ｌの回折段差ｄからのシフト量で表すことができる。輪帯６１Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａと、輪帯６１Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂとの回折格子５２の光軸上における間隔Ｌを用いる場合、間隔Ｌが０．４ｄ≦Ｌ≦０．９ｄを満たすことが好ましく、０．４ｄ≦Ｌ≦０．６ｄを満たすことがより好ましい。これらの範囲が好ましい理由は以下の実施例において説明する。
【００５９】
また、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎπの位置に設ける回折段差６５Ａの位置は２ｎπの位置から±１０％より小さいシフト量であることが好ましい。シフト量が±１０％以上である場合、回折格子５２の特性が大きく変わってしまうためである。回折格子５２の設計どおりの特性を発揮させるためには、加工可能なかぎりシフト量は小さい方が好ましい。
【００６０】
本実施形態では、回折格子レンズ１１は回折格子５２の１次の回折光を利用しているが、２次以上の回折を利用してもよい。この場合、ｍを利用する回折光の次数として、回折段差６５Ａおよび６５Ｂは、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎｍπになる位置、および、２ｎｍπ以外の位置に設けられる。
【００６１】
回折段差６５Ｂは回折格子５２に１箇所以上設けられていれば、輪帯幅の異なる輪帯６１Ａおよび６１Ｂが形成されるため、上述した本発明の効果を得ることができる。ただし、回折段差６５Ｂは回折格子レンズ１１のレンズ直径内の領域に設けられていることが好ましい。この領域外に設けられた段差は、回折段差６５Ｂとして機能しない。例えば、回折格子レンズを保持するためのレンズコバをレンズ基体の回折格子の外周に設ける場合がある。このコバによる段差が、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎｍπ以外の位置であったとしても、回折段差６５Ｂとしては機能しない。つまり、回折段差６５Ｂは回折格子５２の外周端以外の領域に設けられていることが好ましい。仮に、レンズコバによる段差が、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎｍπ以外の位置にある場合には、回折格子レンズ１１のレンズ直径内の領域に少なくとも他の回折段差６５Ｂが設けられていることが好ましい。
【００６２】
また、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎπ以外の位置であれば、回折段差６５Ｂを設ける位置は任意である。図２（ｃ）では、回折段差６５Ｂは、３π、７π、１１π・・・の位置に設けられていた。しかし、例えば、図４に示すように、回折段差６５Ｂを、５π、９π、１３π・・・の位置に設けた回折格子面の形状Ｓｂｐ２をレンズ基体５１の表面５１ｂに設けてもよい。
【００６３】
上述したように、本発明によれは、回折段差６５Ａおよび６５Ｂを、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎｍπになる位置、および、２ｎｍπ以外の位置に設け、輪帯６１Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａと、輪帯６１Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂとが、回折格子５２の光軸上において互いに異なる位置にあるため、輪帯６１Ａの幅と輪帯６１Ｂの幅を異ならせ、縞状フレアを低減、あるいは、目立たなくすることができる。詳細な検討の結果、回折段差６５Ｂの位置によって縞状フレアの低減効果が異なることが分かった。
【００６４】
図５（ａ）から（ｃ）は、本発明の特徴を理解しやすくするために、半径位置に対する位相差が線形的に変化すると仮定した位相関数による模式的な回折格子５２の表面形状を示した図である。図５（ａ）から（ｃ）において、破線は回折段差がすべて２ｎｍπの位置に設けられている場合の回折格子５２の表面形状を示している。
【００６５】
詳細な検討によれば、主要な集光位置から離れた位置に発生した縞状フレア光を低減させるためには、図５（ａ）のように、回折段差６５Ａを位相関数上の基準点からの位相差が２ｎｍπの位置に設け、回折段差６５Ｂを、位相差が（２ｎ−１）ｍπの位置に設けることが好ましい（図５（ａ）はｍ＝１の場合）。このように構成することによって、２つの輪帯幅の異なる輪帯により発生するフラウンホーファー回折の回折縞が互いに干渉し合い、効果的に縞状フレア光を低減することができる。この構成については、以下の実施例１において詳細において説明する。この場合、回折段差６５Ａおよび回折段差６５Ｂは交互に配置される。
【００６６】
また、ある特定位置に発生し、目立つ縞状フレア光を広範囲に分散させて目立ちにくくするためには、図５（ｂ）や（ｃ）のように、回折段差６５Ａおよび６５Ｂを、それぞれｉ個およびｊ個ずつ連続的に配置し、かつ、ｉ個の回折段差６５Ａおよびｊ個の回折段差６５Ｂを交互に配置することが好ましい。図５（ｂ）は、ｉ＝ｊ＝３の場合の回折格子５２の表面形状を示し、図５（ｃ）は、ｉ＝ｊ＝４の場合の回折格子５２の表面形状を示している。このような構成にすることによって、さまざまな縞間隔の縞状フレア光が発生し、縞の明暗のコントラストが小さくなるため、縞状フレアを目立たなくすることができる。この構成については、実施例２、３において詳細に説明する。
【００６７】
連続する回折段差６５Ａおよび６５Ｂの個数ｉ、ｊに特に制限はなく、また、回折段差６５Ａの個数ｉと回折段差６５Ｂの個数ｊとは異なっていてもよい。ｉおよびｊは好ましくは２個以上であり、レンズ直径内の輪帯本数の１／２以下である。効果的に縞状フレアを抑制するためには、ｉ、ｊは等しいことが好ましい。
【００６８】
このように縞状フレアを効果的に抑制するためには、回折段差６５Ａの分布密度および回折段差６５Ｂの分布密度が概ね等しいことが好ましい。具体的には、回折格子５２は、複数の回折段差６５Ａおよび複数の回折段差６５Ｂを含み、回折段差６５Ａおよび回折段差６５Ｂを交互に配置するか、ｉ（２以上の整数）個およびｊ（２以上の整数）個ずつ連続的に配置し、かつ、ｉ個の回折段差６５Ａおよびｊ個の回折段差６５Ｂを交互に配置することが好ましい。
【００６９】
このように本実施形態の回折格子レンズによれば、回折段差が、位相関数上の基準点からの位相差が、２ｎπになる位置、および、２ｎπ以外の位置に設けられる。これにより、位相差が２ｎπになる位置の回折段差の先端は、ベース形状を回折格子の光軸方向に平行移動させた第１の面上に位置し、位相差が２ｎπ以外になる位置の回折段差の先端は、ベース形状を光軸方向に平行移動させた第２の面上に位置しており、第１の面および前記第２の面は光軸上において互いに異なる位置にある。これにより、輪帯幅が異なる２種類の輪帯が回折格子に含まれ、輪帯幅が異なる２種類の輪帯によって生じる縞状フレアが互いに干渉し合い、縞状フレアの発生が抑制される。
【００７０】
本実施形態では、回折格子５２に２ｎｍπ以外の位置に設ける回折段差６５Ｂは、レンズ基体５１の第２の表面５１ｂの全面に設けられている。しかし、回折段差６５Ｂは、上述したように、回折格子の外周端を除く少なくとも１箇所に設けられていればよく、第２の表面５１ｂの外周近傍だけ、あるいは、中央部分だけなど、部分的に形成してもよい。特に、レンズ周辺部は輪帯のピッチが細かくなりやすいため、縞状フレア光が強く発生しやすい。このため、レンズ周辺部のみに回折段差６５Ｂを設けても、縞状フレアを十分に抑制し得る。
【００７１】
（第２の実施形態）
図６（ａ）は、本発明による回折格子レンズの第２の実施形態を示す断面図である。図６（ａ）に示す回折格子レンズ１２は、レンズ基体５１と、レンズ基体５１に設けられた回折格子５２と、回折格子５２を覆うようにレンズ基体５１に設けられた光学調整膜５４とを備える。レンズ基体５１は第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂを有し、第２の表面５１ｂに回折格子５２が設けられている。好ましくは、回折格子５２の回折段差を完全に埋めるように光学調整膜５４が設けられている。
【００７２】
回折格子５２が設けられたレンズ基体５１は、第１の実施形態の回折格子レンズ１１と同様の構造を備えている。
【００７３】
レンズ基体５１は第１の実施形態と同様、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなる。また、光学調整膜５４は、使用波長λにおいて屈折率ｎ2（λ）である第２の材料からなる。
【００７４】
回折格子５２の回折段差６５Ａ、６５Ｂの高さをｄとし、ｍを回折次数としたとき、レンズ直径内の領域の回折段差６５Ａ、６５Ｂのそれぞれは下記（２）で示す実質的に同じ高さｄを有している。
【数１１】
2011052188.tif 000013
【００７５】
好ましくは、使用波長λは可視光域の波長であり、可視光域の全域の波長λに対して式（２）を実質的に満足する。実質的に満足するとは、例えば以下の式(２’)の関係を満たすことを言う。
【数１２】
2011052188.tif 000014
【００７６】
この場合、可視光域の任意の波長λの光が式（２）を実質的に満足することにより、不要次数回折光が発生しなくなり、回折効率の波長依存性が非常に小さくなり、また、高い回折効率が得られる。
【００７７】
可視光域の任意の波長λの光が式（２）を実質的に満足するためには、可視光域の任意の波長λあるいは使用する光の波長帯域内においてｄがほぼ一定となるような波長依存性を持つ屈折率ｎ1（λ）の第１の材料と屈折率ｎ2（λ）の第２の材料とを組み合わせればよい。一般的には、屈折率が高く、波長分散の低い材料と屈折率が低く波長分散の高い材料とが組み合わされる。
【００７８】
より具体的には、第１の材料における屈折率の波長依存性と逆の傾向を示す屈折率の波長依存性を有する材料を第２の材料として選択すればよい。例えば、回折光学レンズ１２を使用する光の波長範囲において、第２の材料の屈折率は第１の材料の屈折率より小さく、かつ、第２の材料の屈折率の波長分散性は第１の材料の屈折率の波長分散性より大きい。つまり、第２の材料は第１の材料よりも低屈折率高分散材料であることが好ましい。
【００７９】
屈折率の波長分散性は、例えば、アッベ数によって表される。アッベ数が大きいほど屈折率の波長分散性は小さい。したがって、第２の材料の屈折率は第１の材料の屈折率より小さく、かつ、第２の材料のアッベ数は第１の材料のアッベ数よりも小さいことが好ましい。
【００８０】
好ましい第１の材料および第２の材料の組み合わせの例を以下の表１に示す。表１において、屈折率（ｎｄ）はｄ線での屈折率を示し、アッベ数（νｄ）は、ｄ線でのアッベ数である。なお、表１において第１の材料をレンズ基体５１の材料、第２の材料を光学調整膜５４の材料としてもよいし、第２の材料をレンズ基体５１の材料、第１の材料を光学調整膜５４の材料としてもよく、どちらの場合も式（２）を実質的に満足することにより、不要次数回折光が発生しなくなり、可視光域の全域において高い回折効率が得られる。
【００８１】
【表１】
2011052188.tif 000015
【００８２】
第１の材料および第２の材料として、ガラスや樹脂に無機粒子が分散したコンポジット材料を用いてもよい。コンポジット材料は、分散させる無機粒子等の種類や粒子の大きさ、添加量を調整することによってコンポジット材料全体の屈折率や波長分散性を調整するため、第１の材料および第２の材料として好適に用いることができる。
【００８３】
屈折率ｎ2（λ）が屈折率ｎ1（λ）より大きい場合、ｄは負の値となる。この場合、回折格子５２の第２の表面５１ｂ形状は、ベース形状に位相差関数による位相差を反転させて足し合わることによって得られる。図６（ｂ）は、屈折率ｎ2（λ）が屈折率ｎ1（λ）より大きい場合の回折格子レンズ１２’の構造を示している。
【００８４】
上述したように本実施形態の回折光学レンズ１２は、光学調整膜５４で回折格子５２が覆われている点で第１の実施形態の回折光学レンズ１１と異なっているが、光学調整膜５４が空気層であるとすれば、回折光学レンズ１１と回折光学レンズ１２とは同じ構造であるといえる。式（２）と式（１）とを比較すれば明らかなように、一般に光学材料である第２の材料の屈折率ｎ2（λ）は１より大きいため、第１の実施形態の回折光学レンズ１１の場合に比べて段差ｄは大きくなる。しかし、フラウンホーファー回折による回折縞の発生および本発明による縞状フレアの抑制効果は、波長に依存しない。このため、光学調整膜５４で回折格子５２が覆われていても、本実施形態の回折光学レンズ１２では第１の実施形態と同様、縞状フレアの発生が抑制される。また、使用波長域の全域で式（２）を満たすことにより、不要次数回折光によるフレアも低減することができる。
【００８５】
（第３の実施形態）
図７は、本発明による撮像装置の実施形態を示す模式的断面図である。撮像装置１３は、レンズ８１と、回折格子レンズ８２と、絞り５６と撮像素子５７とを備える。
【００８６】
レンズ８１は、レンズ基体５５を含む。レンズ基体５５の第１の表面５５ａおよび第２の表面５５ｂは、球面形状、非球面形状など、公知のレンズの表面形状を有している。本実施形態では、レンズ基体５５の第１の表面５５ａは凹形状を有し、第２の表面５５ｂは凸形状有している。
【００８７】
レンズ８２は、レンズ基体５１を含む。レンズ基体５１の第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂ’のベース形状は、球面形状、非球面形状など、公知のレンズの表面形状を有している。本実施形態では、第１の表面５１ａは凸形状を有し、第２の表面５１ｂ’は凹形状有している。第２の表面５１ｂ’には第１の実施形態で説明した回折格子５２が設けられている。
【００８８】
レンズ８１の第２の面５５ｂから入射した被写体からの光は、レンズ８１およびレンズ８２によって集光され、撮像素子５７の表面において、結像し、撮像素子５７によって電気信号に変換される。
【００８９】
本実施形態の撮像装置１３は２枚のレンズを備えているが、レンズの数やレンズの形状に特に制限はなく、１枚であってもよいし、３枚以上のレンズを備えていてもよい。レンズ枚数を増やすことで、光学性能を向上させることができる。撮像装置１３が、複数のレンズを備える場合、回折格子５２は複数のレンズのうちのどのレンズに設けられていてもよい。また、回折格子５２が設けられた面は、被写体側に配置されてもよいし、撮像側に配置されてもよく、複数面であってもよい。ただし、回折格子５２が複数設けられていると回折効率が低下する。このため、回折格子５２は１面だけに設けられていることが好ましい。回折格子５２の輪帯形状は、必ずしも光軸５３を中心とした同心円状に配置されている必要はない。ただし、撮像用途の光学系において、収差特性を良好にするためには、回折格子５２の輪帯形状が光軸５３に対し回転対称であることが望ましい。また、絞り５６はなくてもよい。
【００９０】
本実施形態による撮像装置は、第１の実施形態で説明したい回折格子５２が設けられた回折格子レンズを備えているため、強い光源を撮影する場合にも縞状フレア光の少ない画像を得ることができる。
【００９１】
（第４の実施形態）
図８（ａ）は、本発明による光学系の実施形態を示す模式的断面図であり図８（ｂ）はその平面図である。光学素子１４は、レンズ基体５１とレンズ基体５８と備える。レンズ基体５１の一面には第１の実施形態で説明した構造を有する回折格子５２が設けられている。レンズ基体５８は回折格子５２と対応する形状を有する回折格子５２’’が設けられている。レンズ基体５１とレンズ基体５８とは所定の間隙５９を隔てて保持されている。
【００９２】
図８（ｃ）は、本発明による光学系他の実施形態を示す模式的断面図であり図８（ｄ）はその平面図である。光学素子１４’は、レンズ基体５１Ａとレンズ基体５１Ｂと光学調整膜６０と備える。レンズ基体５１Ａの一面には第１の実施形態で説明した構造を有する回折格子５２が設けられている。同様にレンズ基体５１Ｂにも回折格子５２が設けられている。光学調整膜６０は、レンズ基体５１Ａの回折格子５２を覆っている。光学基体５１Ａと光学基体５１Ｂとは、光学基体５１Ｂの表面に設けられた回折格子５２と光学調整膜６０との間に間隙５９’が形成されるように保持されている。
【００９３】
回折格子を設けたレンズ基体が積層された光学素子１４および光学素子１４’においても、第１の実施形態で説明したように、回折格子５２が設けられているため、縞状フレアの発生が抑制される。
【実施例１】
【００９４】
第１の実施形態の回折光学レンズ１１を作製し、縞状フレアの発生を抑制する効果を調べた結果を説明する。本実施例では、図１に示す回折光学レンズ１１において、回折段差６５Ａを位相関数上の基準点からの位相差が２ｎπの位置に設け、回折段差６５Ｂを位相差が（２ｎπ−２π×Ｓ）の位置に設けた。Ｓは０から０．９までの間で０．１ずつ変化させた。回折段差６５Ａおよび６５Ｂは交互に配置した。図９Ａ（ａ）から（ｅ）および図９Ｂ（ｆ）から（ｊ）は、回折段差６５Ｂを、位相関数上の基準点からの位相差が（２ｎπ−２π×Ｓ）（Ｓ＝０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７，０．８、０．９）の位置に設けた場合の回折格子の形状を模式的に示している。便宜上、図９Ａおよび図９Ｂでは、輪帯ピッチを等ピッチで表示しているが、実際の回折格子レンズは（数１）のａ１以外の高次の項も用い回折格子を設計しており、図２（ｂ）に示すように回折段差のピッチは変化する。回折次数は１次を用いた。回折格子レンズの回折格子の段差高さを０．９ｍｍとし、設計波長および使用波長を５３８ｎｍとし、使用波長でのレンズ基体５１の屈折率ｎ1を１．５９１とした。空気の屈折率は１とした。【００９５】
図１（ｂ）を参照して第１の実施形態で説明したように、回折段差６５Ｂを設ける位置を２ｎπから２π×Ｓ（Ｓ＝０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７，０．８、０．９）だけシフトさせた場合、輪帯６１Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａと、輪帯６１Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂとの回折格子５２の光軸上における間隔Ｌはｄ×Ｓ（Ｓ＝０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７，０．８、０．９）となる。図１０Ａ（ａ）から（ｆ）および図１０Ｂ（ｇ）から（ｊ）は、図９Ａ（ａ）から（ｅ）および図９Ｂ（ｆ）から（ｊ）に示す構造を有する回折格子レンズに、それぞれ画角６０度の方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像である。【００９６】
これらの図のうち、図１０Ａ(f)はＳ＝０．５（５０％）であり、回折段差６５Ｂを位相関数上の基準点からの位相差が（２ｎπ−２π×０．５）つまり、２（ｎ−１）πの位置に設けた場合の回折格子の形状を模式的に示している。また、図１０Ａ（ｆ）はその構造により得られた２次元像を示している。また、図１０Ａ（ａ）は、Ｓ＝０(０％）であり、回折段差６５Ｂを位相関数上の基準点からの位相差が（２ｎπ−０）つまり、２ｎπの位置に設けた従来の回折格子の形状を模式的に示している。また、図１０Ａ（ａ）はその構造により得られた２次元像を示している。【００９７】
図１０Ａ（ｆ）に示すように、縞状フレア光は中心部にのみ見られ、周辺部のフレア光量が低減できている。中心部に集約された縞状フレア光は、メインの光と連なるため、目立ちにくくなる。これに対し、図１０Ａ（ａ）に示すように、従来の回折格子レンズでは、縞状フレア光が中心部から離れた位置に発生し明瞭に広がっている。この場合、本来発生するはずがないところに明瞭な光の帯が存在するため、画像を見たときに目立ってしまう。図１０Ａ、図１０Ｂの２次元像上に示す数字は縞状フレア光の最大強度比率である。具体的には、点線枠内をメインの光、点線枠外を縞状フレア光と考え、点線枠内の光強度の最大値に対する点線枠外の光強度の最大値の比率を示している。図１０Ａ（ａ）では縞状フレア光の最大強度が０．１７％であるのに対し、図１０（ｆ）では０．０２６％に低減できていることが分かる。この結果から、実施例１では、位相関数上の基準点からの位相差が（２ｎ−１）πのところに回折段差を設けることで、縞状フレア光が中心部に集約し、周辺部の目立つフレア光を大幅に低減できることが分かる。回折格子レンズは、一般に、レンズ面の周辺になるほど輪帯ピッチが細かくなり、輪帯ピッチがレンズ面の中心と周辺部で大きく変化する。このような場合、輪帯ピッチに応じたさまざまな縞間隔の縞状フレア光が発生してしまう。しかし、実施例１のように２ｎπと（２ｎ−１）πの位置に交互に回折段差を配置することによって、縞状フレアを低減できる。【００９８】
図９Ａ（ａ）から（ｅ）および図９Ｂ（ｆ）から（ｊ）に示すように、Ｓが０から大きくなるにつれて、２ｎπ以外の位置に設ける回折段差６５Ｂの位置もシフトする。Ｓ＝０．９の回折格子レンズ形状は、Ｓ＝０の形状に近づくわけではなく、回折段差高さが２倍であるｍ＝２（２次回折光利用）の回折格子レンズの構成に近くなる。ただし、各回折段差６５Ａ、６５Ｂの高さは第１の実施形態で説明したようにｄである。【００９９】
図１０Ａ（ａ）から（ｆ）および図１０Ｂ(ｇ)から（ｊ）に示す結果から、Ｓが０から０．５に近づくにつれて、縞状フレア光の最大強度比率は小さくなることが分かる。また、Ｓが０．５より大きくなると、縞状フレア光の最大強度比率も増大する。【０１００】
図１１はＳの値と縞状フレア光の最大強度比率との関係をまとめたグラフである。図１１から分かるように、シフト量Ｓを０．４（４０％以上）０．９にすることによって、縞状フレア光の最大強度比率が約０．０５％以下となり、縞状フレア光を大幅に低減できることが分かる。さらに好ましくは、シフト量を０．４以上０．６以下にすることによって、縞状フレア光の最大強度比率を０．０４％以下にすることができる。シフト量Ｓは０．５にすることが最も好ましい。これにより点線枠外の縞状フレア光を全体的に目立ちにくくすることができる。【０１０１】
輪帯６１Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａと、輪帯６１Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂとの回折格子５２の光軸上における間隔Ｌでこの条件を示す場合、間隔Ｌは、０．４ｄ以上０．９ｄ以下であることが好ましく、０．４ｄ以上０．６ｄ以下であることがより好ましく、０．５ｄであることが最も好ましいといえる。本実施例では、回折段差６５Ｂをシフトさせる方向は図９Ａ、図９Ｂにおいて左側であったが、逆方向（右側）にシフトさせて同様の結果が得られる。
【実施例２】
【０１０２】
本実施例では、図１２に示すように位相関数上の基準点からの位相差が（２ｎπ−２π×Ｓ）の位置において連続的に３つ回折段差を設け、２ｎπのところに連続的に３つ回折段差を設け、これらを交互に配置した。回折次数は１次を用いた。回折格子レンズの回折格子の段差高さを０．９μｍとし、設計波長および使用波長を５３８ｎｍとし、使用波長でのレンズ基体５１の屈折率ｎ1を１．５９１とした。空気の屈折率は１とした。【０１０３】
図１３（ａ）から（ｅ）は、Ｓ＝０．１から０．５まで０．１ずつ段階的に変化させた回折格子レンズに画角６０度方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像を示している。図１４は、縞状フレア最大強度比率とシフト量Ｓとの関係を示したグラフである。図１３より、シフト量Ｓが０．３および０．４の場合、図１０Ａ（ａ）と比較して、明瞭な光の帯となっていた縞状フレア光をバランスよく分散さえることができ、画質的にフレアが目立ちにくくできていることが分かる。また、図１４から、縞状フレアの最大強度比率も比較例に比べ大幅に低減できていることが分かる。
【実施例３】
【０１０４】
本実施例では、図１５に示すように位相関数上の基準点からの位相差が（２ｎπ−２π×Ｓ）の位置において連続的に６つ回折段差を設け、２ｎπのところに連続的に６つ回折段差を設け、これらを交互に配置した。回折次数は１次を用いた。回折格子レンズの回折格子の段差高さを０．９μｍとし、設計波長および使用波長を５３８ｎｍとし、使用波長でのレンズ基体５１の屈折率ｎ1を１．５９１とした。空気の屈折率は１とした。【０１０５】
図１６（ａ）から（ｅ）は、Ｓ＝０．５から０．９まで０．１ずつ段階的に変化させた回折格子レンズに画角６０度方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像を示している。図１７は、縞状フレア最大強度比率とシフト量Ｓとの関係を示したグラフである。図１７のグラフには、Ｓが０．４以下の場合の結果も示している。図１６より、シフト量Ｓが０．６および０．７の場合、図１０Ａ（ａ）と比較して、明瞭な光の帯となっていた縞状フレア光をバランスよく分散さえることができ、画質的にフレアが目立ちにくくできていることが分かる。また、図１７から、縞状フレアの最大強度比率も比較例に比べ大幅に低減できていることが分かる。【０１０６】
また、図１１、１４、１７のグラフよりシフト量Ｓが０．１あたりから縞状フレア光の低減効果が大きく現れ始める。したがって、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎπ以外のところに設ける回折段差の位置は２ｎπから１０％以上シフトしていることが好ましい。このとき、輪帯６１Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａと、輪帯６１Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂとの回折格子５２の光軸上における間隔Ｌでこの条件を示す場合、間隔Ｌは、０．１ｄ以上であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の回折格子レンズおよびそれを用いた撮像装置は、縞状のフレア光を低減する機能を有し、高品質なカメラとして特に有用である。
【符号の説明】
【０１０８】
１１、１２、１２’    回折格子レンズ
１３    撮像装置
１４、１４’    光学素子
６１Ａ、６２Ｂ    輪帯
６５Ａ、６５Ｂ    回折段差
５１  １７１    レンズ基体
６２    絞り
１６１、ｄ  回折格子の段差高さ
５２  回折格子
５３  光軸
１５７、１７４  撮像素子
１７５  １次回折光
１７６  不要次数回折光
１８１  光学調整膜
１９１  縞状フレア光
【図１】
2011052188.tif 000022
【図２】
2011052188.tif 000023
【図３】
2011052188.tif 000024
【図４】
2011052188.tif 000025
【図５】
2011052188.tif 000026
【図６】
2011052188.tif 000027
【図７】
2011052188.tif 000028
【図８】
2011052188.tif 000029
【図９Ａ】
2011052188.tif 000030
【図９Ｂ】
2011052188.tif 000031
【図１０Ａ】
2011052188.tif 000032
【図１０Ｂ】
2011052188.tif 000033
【図１１】
2011052188.tif 000034
【図１２】
2011052188.tif 000035
【図１３】
2011052188.tif 000036
【図１４】
2011052188.tif 000037
【図１５】
2011052188.tif 000038
【図１６】
2011052188.tif 000039
【図１７】
2011052188.tif 000040
【図１８】
2011052188.tif 000041
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
2011052188.tif 000046
【手続補正書】
【提出日】平成23年2月23日(2011.2.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折現象を利用して光の集光または発散を行う回折光学レンズ（回折光学素子）およびそれを用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンズ基体に回折格子が設けられ、回折現象を利用して光の集光または発散を行う回折光学素子は回折格子レンズと呼ばれている。回折格子レンズは、像面湾曲や色収差（波長による結像点のずれ）等のレンズの収差を補正するのに優れていることが広く知られている。これは、回折格子が、光学材料によって生じる分散性とは逆の分散性（逆分散性）を有していたり、光学材料の分散の直線性から逸脱した分散性（異常分散性）を有していたりするためである。このため、通常の光学素子と組み合わせることにより、回折格子レンズは大きな色収差補正能力を発揮する。
【０００３】
また、回折格子を撮像用光学系に用いた場合、非球面レンズのみによって構成される撮像用光学系に比べ、少ないレンズ枚数で同一性能を得ることができる。したがって、撮像用光学系の製造コストを低減させることができるとともに、光学長を短くすることができ、低背化を実現できるという利点がある。
【０００４】
図１８（ａ）から（ｃ）を参照しながら、従来の回折格子レンズの形状を設計する方法説明する。回折格子レンズは、主に位相関数法または高屈折率法によって設計される。ここでは、位相関数法を用いた設計方法を説明する。高屈折率法によって設計する場合も、最終的に得られる結果は同じである。
【０００５】
回折格子レンズの形状は、回折格子が設けられるレンズ基体のベース形状と、回折格子の形状とから形成される。図１８（ａ）は、レンズ基体の表面形状が非球面形状Ｓｂである場合の一例を示しており、図１８（ｂ）は、回折格子の形状Ｓｐ１の一例を示している。図１８（ｂ）に示す回折格子の形状Ｓｐ１は、位相関数により決定される。位相関数は、下記式（５）で示される。
【数１】
2011052188.tif 000047
ここで、φ（ｒ）は位相関数、Ψ（ｒ）は光路差関数（ｚ＝Ψ（ｒ））、ｒは光軸からの半径方向の距離、λ0は設計波長、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ａ６、・・・、ａｉは係数である。
【０００６】
１次の回折光を利用した回折格子の場合、図１８（ｂ）に示すように、位相関数φ（ｒ）において基準点（中心）からの位相が２ｎπ（ｎは１以上の自然数）になるごとに位相差関数の曲線を分断する。この２ｎπごとに分断された位相差関数の曲線による形状Ｓｐ１を図１８（ａ）の非球面形状Ｓｂに足し合わせることによって、図１８（ｃ）に示す回折格子面の形状Ｓｂｐ１が決定される。位相差関数から光路差関数への変換は式（５）の関係を用いる。
【０００７】
図１８（ｃ）に示す回折格子面の形状Ｓｂｐ１が実際のレンズ基体に設けられる場合、輪帯の段差高さ１６１が下記式（１）を満たせば回折効果が得られる。
【数２】
2011052188.tif 000048
ここで、ｍは設計次数（１次の回折光の場合はｍ＝１）であり、λは使用波長であり、ｄは回折格子の段差高さであり、ｎ1（λ）は使用波長λにおけるレンズ基体を構成するレンズ材料の屈折率である。レンズ材料の屈折率は波長依存性があり、波長の関数である。式（１）を満たすような回折格子であれば、輪帯の根元と先端とで、位相関数上において位相差が２πとなり、使用波長λの光に対して、光路差が波長の整数倍となる。このため、使用波長の光に対する１次回折光の回折効率（以下、「１次回折効率」という。）を、ほぼ１００％にすることができる。波長λが変化すれば、式（１）に従って、回折効率が１００％となるｄの値も変化する。逆に、ｄの値が固定されれば、式（１）を満たす波長λ以外の波長では回折効率が１００％とならない。
【０００８】
しかし、回折格子レンズを一般的な撮像用途に用いる場合、広い波長帯域（例えば、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の可視光域等）の光を回折する必要がある。その結果、図１９に示すように、レンズ基体１７１に回折格子１７２が設けられた回折格子レンズに可視光線１７３が入射する場合、使用波長λとして決定した波長の光による１次回折光１７５以外に不要な次数の回折光１７６（以下、「不要次数回折光」とも言う。）が発生する。例えば、段差高さｄを決定する波長を緑の波長（例えば５４０ｎｍ）とした場合、緑波長における１次回折効率は１００％となり、緑波長の不要次数回折光１７６は発生しないが、赤波長（例えば６４０ｎｍ）や青波長（例えば４４０ｎｍ）では１次回折効率が１００％とはならず、赤の０次回折光や青の２次回折光が発生する。これら赤の０次回折光や青の２次回折光が不要次数回折光１７６であり、フレアやゴーストとなって像面上に広がって画像を劣化させたり、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function：変調伝達関数）特性を低下させたりする。
【０００９】
特許文献１は、図２０に示すように、回折格子１７２が形成されたレンズ基体１７１の表面上に、レンズ基体とは異なる屈折率および屈折率分散（refractive index dispersion）を有する光学材料からなる光学調整膜１８１を設けることを開示している。特許文献１は、回折格子１７２が形成された基体１７１の屈折率と、回折格子１７２を覆うように形成された光学調整膜１８１の屈折率とを特定の条件に設定することにより、回折効率の波長依存性を低減し、不要次数回折光を低減し、不要次数回折光によるフレアを抑制することができると開示している。
【００１０】
また、特許文献２は、図１９の一般的な回折格子レンズを用いたカメラでの撮影において、不要次数回折光１７６の２次元点像分布から最小二乗法によるフィッティングで不要次数回折光１７６の絶対量を求め、除去する方法を開示している。
【００１１】
特許文献３は、１コマ目の撮影で飽和している画素が存在する場合、その画素が飽和しないように２コマ目の撮影を行い、そのときの露光時間の調整値から不要次数回折光１７６の絶対量を求め、不要次数回折光１７６を除去する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平０９―１２７３２１号公報
【特許文献２】特開２００５―１６７４８５号公報
【特許文献３】特開２０００―３３３０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本願発明者は、回折格子レンズの回折格子面上の輪帯ピッチを小さくしていく、あるいは非常に光強度が高い被写体を撮影すると、上述した不要次数回折光１７６とは異なる縞状フレア光が発生することを見出した。このような縞状フレア光が回折格子レンズにおいて発生することは知られていない。また、本願発明者によれば、特定の条件下では、縞状フレア光が、撮影された画像の品質を大きく低下させる可能性があることが分かった。
【００１４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、縞状フレア光発生を抑制することのできる回折格子レンズおよびそれを用いた撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の回折格子レンズは、ベース形状に回折格子が設けられてできる表面を有するレンズ基体を備え、前記回折格子は、前記レンズ基体のレンズ直径内の領域において複数の輪帯および前記複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の回折段差を有し、前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、前記複数の回折段差のそれぞれは、実質的に同じ高さｄを有し、前記高さｄは、ｍを回折次数として、下記式（１）を満足し、
【数３】
2011052188.tif 000049
前記複数の回折段差は、複数の第１の回折段差および前記複数の第１の回折段差の少なくとも１つに隣接する少なくとも１つの第２の回折段差を含み、前記複数の第１の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記回折格子の光軸方向に平行移動させた第１の面上に位置しており、前記少なくとも１つの第２の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記光軸方向に平行移動させた第２の面上に位置しており、前記第１の面および前記第２の面は前記光軸上において、互いに異なる位置にある。
【００１６】
また、本発明の回折格子レンズは、ベース形状に回折格子が設けられてできる表面を有するレンズ基体と、前記レンズ基体の表面を覆うように設けられた光学調整膜とを備え、前記回折格子は、前記レンズ基体のレンズ直径内の領域において複数の輪帯および前記複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の回折段差を有し、前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、前記光学調整膜は、前記使用波長λにおいて屈折率ｎ2（λ）である第２の材料からなり、前記複数の回折段差のそれぞれは、実質的に同じ高さｄを有し、前記高さｄは、ｍを回折次数として、下記式（２）を満足し、
【数４】
2011052188.tif 000050
前記複数の回折段差は、複数の第１の回折段差および前記複数の第１の回折段差の少なくとも１つに隣接する少なくとも１つの第２の回折段差を含み、前記複数の第１の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記回折格子の光軸方向に平行移動させた第１の面上に位置しており、前記少なくとも１つの第２の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記光軸方向に平行移動させた第２の面上に位置しており、前記第１の面および前記第２の面は前記光軸上において、互いに異なる位置にある。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記複数の回折段差は、複数の第２の回折段差を含み、各第１の回折段差および各第２の回折段差は交互に配置されている。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記第１の面と前記第２の面と前記光軸上における間隔Ｌは、下記式（３）を満たす。
【数５】
2011052188.tif 000051
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記第１の面と前記第２の面と前記光軸上における間隔Ｌは、下記式（４）を満たす。
【数６】
2011052188.tif 000052
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記第１の面と前記第２の面と前記光軸上における間隔Ｌは、Ｌ＝０．５ｄを満たす。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記複数の回折段差は、複数の第２の回折段差を含み、前記複数の第１の回折段差および前記複数の第２の回折段差は、それぞれ、ｉ個（ｉは２以上の整数）およびｊ個（ｊは２以上の整数）ずつ連続的に配置され、かつ、ｉ個の前記第１の回折段差およびｊ個の前記第２の回折段差が交互に配置されている。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記使用波長λは可視光域の波長であり、可視光域の全域の波長に対して式（２）を実質的に満足する。
【００２３】
本発明の回折格子レンズは、ベース形状に回折格子が設けられてできる表面を有するレンズ基体を備え、前記回折格子は、複数の輪帯および前記複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の回折段差を有し、前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、前記複数の回折段差のそれぞれは、ｍを回折次数として、下記式（１）で示される高さｄを有し、
【数７】
2011052188.tif 000053
前記複数の輪帯は、互いに隣接する第１、第２および第３の輪帯を含み、前記第２の輪帯は前記第１および第３の輪帯に挟まれており、前記第１の輪帯および第２の輪帯の幅は略同一であり、前記第２の輪帯の幅は前記第１の輪帯の幅よりも狭い。
【００２４】
本発明の撮像装置は、上記いずれかに記載の回折格子レンズと、撮像素子とを備える。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、複数の第１の回折段差の先端は、ベース形状を回折格子の光軸方向に平行移動させた第１の面上に位置しており、少なくとも１つの第２の回折段差の先端は、ベース形状を前記光軸方向に平行移動させた第２の面上に位置しており、第１の面および前記第２の面は前記光軸上において、互いに異なる位置にある。これにより、輪帯幅が異なる２種類の輪帯が回折格子に含まれるようになり、輪帯幅が異なる２種類の輪帯によって生じる縞状フレアが互いに干渉し合い、縞状フレアの発生が抑制される。
【００２６】
また、本発明の回折格子レンズを含む撮像装置を用いて、強い光源を撮影する場合にも、縞状フレア光が少ない画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）は、本発明による回折格子レンズの第１の実施形態の断面図であり、（ｂ）は回折格子近傍を拡大して示す断面図である。
【図２】（ａ）から（ｃ）は、本発明による回折格子レンズの回折格子面形状の導出方法を示す図であって、（ａ）はベース形状を示す図であり、（ｂ）は位相差関数を示す図であり、（ｃ）は回折格子の表面形状を示す図である。
【図３】図１に示す回折格子レンズにおいて縞状フレアが抑制される理由を説明するための図である。
【図４】図２（ｃ）に示す回折格子とは異なる位置に回折段差を設けた回折格子の表面形状を示す図である。
【図５】（ａ）から（ｃ）は、第１の実施形態における輪帯の位置を示す模式図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、本発明による回折格子レンズの第２の実施形態の断面図である。
【図７】本発明による撮像装置の実施形態の断面図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、本発明による積層型光学系の実施形態の断面図および平面図であり、（ｃ）および（ｄ）は、本発明による積層型光学系の他の実施形態の断面図および平面図である。
【図９Ａ】（ａ）から（ｅ）は、実施例１の回折段差の位置を示す模式図である。
【図９Ｂ】（ｆ）から（ｊ）は、実施例１の回折段差の位置を示す模式図である。
【図１０Ａ】（ａ）から（ｆ）は、実施例１の回折格子レンズに画角６０度方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像図である。
【図１０Ｂ】（ｇ）から（ｊ）は、実施例１の回折格子レンズに画角６０度方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像図である。
【図１１】実施例１の回折段差の位置のシフト量と縞状フレア最大強度比率との関係を示す図である。
【図１２】実施例２の回折段差の位置を示す模式図である。
【図１３】（ａ）から（ｅ）は、実施例２の回折格子レンズに画角６０度方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像図である。
【図１４】実施例２の回折段差の位置のシフト量と縞状フレア最大強度比率との関係を示す図である。
【図１５】実施例３の回折段差の位置を示す模式図である。
【図１６】（ａ）から（ｅ）は、実施例３の回折格子レンズに画角６０度方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像図である。
【図１７】実施例３の回折段差の位置のシフト量と縞状フレア最大強度比率との関係を示す図である。
【図１８】（ａ）から（ｃ）は、従来の回折格子レンズの回折格子面形状の導出方法を示す図であって、（ａ）はベース形状を示す図であり、（ｂ）は位相差関数を示す図であり、（ｃ）は回折格子の表面形状を示す図である。
【図１９】従来の回折格子レンズにおいて、不要回折光が発生する様子を表す図である。
【図２０】レンズ基体に光学調整膜が設けられた従来の回折格子レンズを示す断面図である。
【図２１】光軸方向から見た回折格子の輪帯を示す図である。
【図２２】輪帯を通過した光線束が集光される撮像素子上に縞状フレアが発生する様子を表す模式図である。
【図２３】（ａ）は従来の回折格子レンズを備えた撮像装置を用いて撮影された画像の一例であり、（ｂ）は（ａ）に示す画像の一部を拡大した画像の一例であり、縞状フレアが発生している様子を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
まず、本願発明者が明らかにした回折格子レンズによって生じる縞状フレア光について説明する。
【００２９】
図２１に示すように、回折格子１７２が設けられた回折格子レンズにおいて、輪帯２１のそれぞれは、同心円状に配置される回折段差に挟まれている。このため、隣り合った２つの輪帯２１を透過する光の波面間に設けられた回折段差によって分断される。輪帯２１のそれぞれを透過する光は、輪帯２１のピッチΛの幅を有するスリットを通過する光と見なすことができる。輪帯２１のピッチΛが小さくなると、回折格子レンズを透過するレンズは、同心円状に配置された非常に狭いスリットを通過する光と見なすことができ、回折段差近傍で、光の波面の回り込みが見られるようになる。図２２は、回折格子１７２が設けられたレンズ基体１７１に光が入射し、出射光が回折格子１７２によって回折する様子を模式的に示している。
【００３０】
一般に、非常に狭く遮光されたスリットを通過した光は、無限遠の観測点において回折縞を形成する。これをフラウンホーファー回折という。この回折現象は正の焦点距離を有するレンズ系を含むことによって、有限距離（焦点面）でも発生する。
【００３１】
本願発明者は、輪帯２１のピッチΛが小さくなると、各輪帯２１を透過した光が互いに干渉し、図２２に示すような、蝶が羽を広げたような形の縞状フレア１９１が発生することを実レンズによる画像評価で確認した。
【００３２】
また、この縞状のフレアは、従来より知られている不要次数回折光を発生させる入射光よりもさらに多量の光が撮像用光学系に入射したときにより顕著に現れること、また、不要次数回折光は特定の波長に対しては発生しないが、縞状フレア光は設計波長を含め使用波長帯域全域で発生することが分かった。
【００３３】
縞状フレアは、画像上で、不要次数回折光よりも大きく広がって画質を劣化させる。特に、夜間などの真っ暗な背景にライトなどの明るい被写体を写し出す場合などコントラスト比が大きい過激な環境下では、縞状フレア光１９１は特に目立ち、問題となる。また、縞状フレア光１９１は縞状に明暗がはっきりとして発生するため、不要次数回折光１７６よりも目立ち問題となる。
【００３４】
図２３（ａ）は従来の回折格子レンズを備えた撮像装置を用いて撮影された画像の一例を示している。図２３（ａ）に示す画像は、蛍光灯が点燈している室内様子を示す画像である。図２３（ｂ）は図２３（ａ）に示す画像のうち、蛍光灯近傍の拡大画像である。図２３（ｂ）に示すように、蛍光灯の下部近傍に明るい光が縞状フレアである。
【００３５】
本願発明者はこの課題を解決するために、新規な構造を備えた回折光学素子およびそれを用いた撮像装置を想到した。以下、図面を参照しながら、本発明による回折格子レンズの実施形態を説明する。
【００３６】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明による回折格子レンズの第１の実施形態を示す断面図である。第１の実施形態の回折格子レンズ１１はレンズ基体５１を備える。レンズ基体５１は第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂを有し、第２の表面５１ｂに回折格子５２が設けられている。
【００３７】
本実施形態では、回折格子５２は第２の表面５１ｂに設けられているが、第１の表面５１ａに設けられていてもよく、第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂの両方に設けられていてよい。
【００３８】
また、本実施形態では、第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂのベース形状は非球面形状であるが、ベース形状は球面や、平板形状であってもよい。第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂの両方のベース形状が同一であってもよいし、異なっていてもよい。また、第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂのベース形状はそれぞれ凸型非球面形状であるが、凹型非球面形状であってもよい。さらに、第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂのベース形状のうち一方が、凸型であり、他方が凹型であってもよい。
【００３９】
本願明細書において、「ベース形状」とは、回折格子５２の形状が付与される前のレンズ基体５１の表面の設計上の形状を言う。回折格子５２などの構造物が表面に付与されていなければ、レンズ基体５１の表面がベース形状を有している。本実施形態では第１の表面５１ａには回折格子が設けられていないため、第１の表面５１ａのベース形状は第１の表面５１ａが有する表面形状であり、非球面形状である。
【００４０】
一方、第２の表面５１ｂは、ベース形状に回折格子５２が設けられることによって構成されている。第２の表面５１ｂには回折格子５２が設けられているため、回折格子５２が設けられた状態では、レンズ基体５１の第２の表面５１ｂは非球面形状ではない。しかし、回折格子５２は以下に説明するように所定の条件に基づく形状を有するため、回折格子５２が設けられた第２の表面５１ｂの形状から回折格子５２の形状を差し引くことによって、第２の表面５１ｂのベース形状を特定することができる。
【００４１】
回折格子５２は、複数の輪帯６１Ａ、６１Ｂと複数の回折段差６５Ａ、６５Ｂとを有し、輪帯６１Ａ、６１Ｂの間にそれぞれ１つの回折段差６５Ａ、６５Ｂが設けられている。輪帯６１Ａ、６１Ｂは、回折段差６５Ａ、６５Ｂによって挟まれたリング状の凸部である。本実施形態では、輪帯６１Ａ、６１Ｂは、第１の表面５１ａのベース形状および第２の表面５１ｂのベース形状である非球面の光軸５３を中心とし、同心円状に配置されている。つまり、回折格子５２の光軸は非球面の光軸５３と一致する。輪帯６１Ａ、６１Ｂは同心円状に配置されている必要はない。しかし、撮像用途の光学系において、収差特性を良好にするためには、輪帯６１Ａ、６１Ｂの輪帯形状が光軸５３に対し回転対称であることが望ましい。
【００４２】
図１（ａ）に示すように、従来とは異なり、回折格子５２の回折段差６５Ａ、６５Ｂのうち、回折段差６５Ｂは、位相関数における基準点からの位相差が２ｎｍπ以外の位置に設けられ、回折段差６５Ａは従来と同様、位相関数における基準点からの位相差が２ｎｍπの位置に設けられている。ここでｎは正の整数であり、ｍは回折次数である。回折次数自体は、０および正または負の整数で定義されるが、回折次数が０であれば回折は生じない。このため、本発明では、ｍは正または負の整数である。
【００４３】
図２（ａ）から（ｃ）を参照して回折格子５２の構造および回折格子５２を有する第２の表面５１ｂの形状の設計方法を説明する。
【００４４】
上述したように、回折格子レンズ１１の第２の表面５１ｂの形状は、回折格子が設けられるレンズ基体５１のベース形状と、ベース形状に設けられる回折格子５２そのもの形状とから構成される。図２（ａ）は、第２の表面５１ｂにおけるベース形状が非球面形状Ｓｂである場合の一例を示しており、図２（ｂ）は、回折格子５２の形状Ｓｐ２の一例を示している。図２（ｂ）に示す回折格子の形状Ｓｐ２は、位相関数により決定される。位相関数は、前述の式（５）で示される。
【数８】
2011052188.tif 000054
ここで、φ（ｒ）は位相関数、Ψ（ｒ）は光路差関数（ｚ＝Ψ（ｒ））、ｒは光軸からの半径方向の距離、λ0は設計波長、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ａ５、ａ６、・・・、ａｉは係数である。
【００４５】
１次の回折光を利用する場合、つまりｍ＝１の場合、図２（ｂ）に示すように、位相関数φ（ｒ）において基準点（中心）からの位相差が２ｎπになる位置、および、２ｎπ以外の位置において、位相差関数の曲線の形状Ｓｐを分断し、分断された曲線を２ｎπだけマイナス方向へシフトさせる。つまり、これらの位置に回折段差を設ける。その結果、図２（ｂ）に示すように、回折格子５２の形状Ｓｐ２は、分断された曲線部分ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４、ｓ５・・・によって構成される。図２（ｂ）において破線で示す曲線部分ｓａは従来の回折格子であれば、基準点からの位相差が２πと４πの間であるため、曲線部分ｓ１に接続される。しかし、本実施形態では、２ｎπ以外の位置で分断する結果、ｓａ’として曲線部分ｓ２に接続されている。この分断された位相差関数の曲線による形状Ｓｐ２を図２（ａ）の非球面形状Ｓｂに足し合わせることによって、図２（ｃ）に示す回折格子面の形状Ｓｂｐ２が決定される。なお、位相差関数から光路差関数への変換は式（５）の関係を用いる。また、位相関数は、式（５）において定数項を含むものであってもよい。この場合、基準点が０ではなくなり、回折段差の位置は図２（ｂ）において、全体的に一定量ｒ方向にシフトすることになる。
【００４６】
図２（ｃ）に示す回折格子面の形状Ｓｂｐ２が実際のレンズ基体に設けられる場合、輪帯の回折段差の高さｄが下記式（１）を満たせば回折効果が得られる。
【数９】
2011052188.tif 000055
ここで、ｍは設計次数（１次の回折光の場合はｍ＝１）であり、λは使用波長であり、ｄは回折格子の段差高さであり、ｎ1（λ）は使用波長λにおけるレンズ基体を構成するレンズ材料の屈折率である。レンズ材料の屈折率は波長依存性があり、波長の関数である。
【００４７】
回折格子レンズ１１を撮像等に用いる場合、レンズ直径内の領域には同一または同一波長領域の使用波長の光が入射し、同一の回折次数で光を回折させるものとして回折格子５２が設計される。このため、レンズ直径内の領域の回折段差６５Ａ、６５Ｂのそれぞれの段差高ｄさは、式（１）に従い、実質的に同じ値に設計される。実質的に同じ値とは、例えば、回折段差６５Ａ、６５Ｂのそれぞれの段差高ｄが以下の式（１’）を満たしていることを言う。
【数１０】
2011052188.tif 000056
ここで、レンズ直径とは、回折格子レンズ１１において、所定の集光または発散機能が付与された部分を光軸に垂直な面に投影して得られる円形領域（レンズ領域）の直径を言う。
【００４８】
なお、使用波長λは、設計波長λ0と一般的には一致するが、異なっていてもよい。位相差関数で用いる設計波長は、例えば、収差を低減するために可視光域の真ん中（５４０ｎｍなど）に決定する。これに対し、回折段差の高さｄに用いる使用波長λは、例えば回折効率を重視して決定される。このため、回折効率が可視光域全体において、中心波長に対して非対称な分布をする場合、使用波長λを可視光域の真ん中から少しずらす場合がある。この場合には、使用波長λは設計波長λ0と異なる。
【００４９】
図２（ｃ）に示す回折格子面の形状Ｓｂｐ２は、レンズ基体５１の第２の表面５１ｂの実際の形状である。ただし、ｚ方向、つまり、光路差はレンズ基体５１とこれに接する媒体との屈折率差および使用する光の波長に依存する。図２（ｂ）に示す位相差関数の曲線による形状Ｓｐ２は、基準点からの位相差が２ｎπになる位置、および、２ｎπ以外の位置において、分断されているため、図２（ｂ）の位相関数の値を光路長に換算し、図２（ａ）に示すレンズ基体の表面形状Ｓｂに足し合わせる。このようにすれば、分断された位置、つまり、回折段差は、設計波長λ0におけるベース形状からの光路差が波長の整数倍（位相関数上の２ｍπ）になる位置、および、整数倍（位相関数上の２ｎπ）以外の位置に設けられることになる。具体的には、波長の整数倍（位相関数上の２ｎπ、ｎ＝１、３、５、・・・）になる位置に設けられた回折段差６５Ａと整数倍（位相関数上の２ｎπ、ｎ＝２、４、６、・・・）以外の位置に設けられた回折段差６５Ｂとが存在する（図２は、ｍ＝１の場合を示している。）。回折段差６５Ａおよび回折段差６５Ｂは光軸５３から外側にむかって交互に配置されている。回折段差６５Ａおよび回折段差６５Ｂの高さはいずれも設計波長λ0における位相差２πに相当する値ｄである。この構成により、回折格子５２には２種類の輪帯６１Ａおよび輪帯６１Ｂが含まれる。その結果、隣接する輪帯６１Ａと輪帯６１Ｂとでは、輪帯６１Ａの輪帯面６２Ａおよび輪帯幅が相対的に短く、輪帯６１Ｂの輪帯面６２Ｂおよび輪帯幅が相対的に長い。このように、輪帯幅あるいは、輪帯面の幅が異なる２種類の輪帯６１Ａと輪帯６１Ｂとが回折格子５２に含まれることによって、縞状フレアを抑制することができる。詳細は後述する。
【００５０】
図１（ｂ）は、回折格子５２が設けられたレンズ基体の表面５１ｂを拡大して示す断面図である。前述のように、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎになる位置と２ｎπ以外となる位置で位相関数の曲面を分断し、回折段差を設ける設計方法により、表面５１ｂは、以下に示す構成を有すると言える。図１（ｂ）に示すように、表面５１ｂにおいて、各輪帯６１Ａの先端６３Ａは、ベース形状Ｓｂを回折格子５２の光軸方向に平行移動させた第１の面６６Ａ上に位置する。同様に、各輪帯６１Ｂの先端６３Ｂは、ベース形状Ｓｂを回折格子５２の光軸方向に平行移動させた第１の面とは異なる第２の面上に位置する。回折段差６５Ｂが２ｎπ以外の位置であって、かつ、隣接する回折段差６５Ｂ同士の位相差が２ｎπである場合、各輪帯６１Ｂの先端６３Ｂは、ベース形状Ｓｂを回折格子５２の光軸方向に平行移動させた第１の面６６Ａとは異なる同一の第２の面６６Ｂ上に位置する。第１の面６６Ａと第２の面６６Ｂの回折格子５２の光軸上における間隔Ｌは、回折段差６５Ａおよび回折段差６５Ｂの高さｄ以下の値となる。
【００５１】
つまり、すべての輪帯の先端が、ベース形状Ｓｂを回折格子５２の光軸方向に平行移動させた１つの面上にない場合、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎπ以外の位置に少なくとも１つの回折段差が設けられており、これにより、その回折段差を挟んだ隣接する２つの輪帯の幅が異なっている。
【００５２】
輪帯６１Ａの根元６４Ａおよび輪帯６１Ｂの根元６４Ｂについても同様である。各輪帯６１Ａの根元６４Ａは、ベース形状Ｓｂを光軸方向に平行移動させた曲面上に位置し、各輪帯６１Ｂの根元６４Ｂは、ベース形状Ｓｂを光軸方向に平行移動させた曲面上に位置する。ただし、根元６４Ａが位置する曲面は根元６４Ｂが位置する曲面と異なっている。
【００５３】
従来の回折格子レンズでは、基準点からの位相差が２ｎπになる位置で位相関数を分断することで回折段差を設けていたため、各輪帯の先端は、すべてベース形状を光軸方向に平行移動させた１つの曲面上に位置する。同様に各輪帯の根元も、すべてベース形状を光軸方向に平行移動させた１つの曲面上に位置する。このため、上述した回折格子の構造は本発明に特有であると言える。
【００５４】
また、図１８（ｂ）、（ｃ）に示すように、従来の回折格子レンズでは、回折格子の外周側ほど輪帯の幅が狭くなるものの、連続して隣接する３つ程度の輪帯間では、輪帯の幅はほぼ同一である。これに対し、本実施形態の回折格子レンズ１１では、輪帯６１Ａとこれを挟む２つの輪帯６１Ｂに注目した場合、輪帯６１Ａを挟むように隣接した２つ輪帯６１Ｂの幅は、同一であり、２つ輪帯６１Ｂに挟まれた輪帯６１Ａの幅は、２つ輪帯６１Ｂの幅よりも狭くなっている。ここで同一とは、２つの輪帯の幅が一致する場合のみならず、２つの幅が一致しない場合でも長い方の輪帯の幅が短い方の輪帯の幅の１．０５倍以内である場合も含む。
【００５５】
図３は、回折格子５２が設けられた回折格子レンズ１１において、縞状フレアが低減される理由を説明するためのグラフである。図３に示すように、輪帯幅が狭い輪帯１によるフラウンホーファー回折の光（回折縞）では、径方向における波の間隔が相対的に広くなっており、輪帯幅が広い輪帯２によるフラウンホーファー回折の光では、径方向における波の間隔が相対的に狭くなっている。中心付近の振幅強度は、輪帯幅が反映されるため、輪帯１によるフラウンホーファー回折の光の強度が弱くなり、輪帯２によるフラウンホーファー回折の光の強度が強くなる。輪帯１および輪帯２によるフラウンホーファー回折の光を足し合わせたものが本実施形態の回折格子によるフラウンホーファー回折の光である。図３から分かるように、輪帯１および輪帯２によるフラウンホーファー回折の光の径方向における波の間隔が異なるため、中心付近以外の位置では、波が打ち消し合い、従来の回折格子によるフラウンホーファー回折の光に比べ、光の振幅が小さくなっている。つまり、縞状フレアが低減されている。
【００５６】
この効果は、上述の説明から分かるように、位相関数上の基準点からの位相差が２ｍπになる位置、および、２ｎπ以外の位置に回折段差が設けられ、隣接する輪帯６１Ａと輪帯６１Ｂとの幅が異なることによって生じる。したがって、位相差が２ｎπ以外であれば、回折段差６５Ｂは任意の位置に設けることができる。
【００５７】
好ましくは、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎπ以外のところに設ける回折段差６５Ｂの位置はπ／５以上の偏差つまり２ｎπの位置から±１０％以上シフトしている。シフト量が±１０％以内であれば、２種類のフラウンホーファー回折の光の干渉の効果が十分ではないからである。より好ましくは、シフト量は、−４０％〜−９０％の範囲であり、さらに好ましくは、−４０％〜−６０％の範囲である。
【００５８】
図２（ｂ）に示すように、位相関数上において、２ｎπ以外の位置に設けた回折段差の２ｎπの位置からのシフト量δは、２ｎπの位置に設けた回折段差の先端と２ｎπ以外の位置に設ける回折段差の先端とのシフト量δ’と一致する。このため、上述した回折段差６５Ｂの２ｎπの位置からの好ましいシフト量は、図１（ｂ）を参照して説明した、輪帯６１Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａと、輪帯６１Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂとの回折格子５２の光軸上における間隔Ｌの回折段差ｄからのシフト量で表すことができる。輪帯６１Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａと、輪帯６１Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂとの回折格子５２の光軸上における間隔Ｌを用いる場合、間隔Ｌが０．４ｄ≦Ｌ≦０．９ｄを満たすことが好ましく、０．４ｄ≦Ｌ≦０．６ｄを満たすことがより好ましい。これらの範囲が好ましい理由は以下の実施例において説明する。
【００５９】
また、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎπの位置に設ける回折段差６５Ａの位置は２ｎπの位置から±１０％より小さいシフト量であることが好ましい。シフト量が±１０％以上である場合、回折格子５２の特性が大きく変わってしまうためである。回折格子５２の設計どおりの特性を発揮させるためには、加工可能なかぎりシフト量は小さい方が好ましい。
【００６０】
本実施形態では、回折格子レンズ１１は回折格子５２の１次の回折光を利用しているが、２次以上の回折を利用してもよい。この場合、ｍを利用する回折光の次数として、回折段差６５Ａおよび６５Ｂは、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎｍπになる位置、および、２ｎｍπ以外の位置に設けられる。
【００６１】
回折段差６５Ｂは回折格子５２に１箇所以上設けられていれば、輪帯幅の異なる輪帯６１Ａおよび６１Ｂが形成されるため、上述した本発明の効果を得ることができる。ただし、回折段差６５Ｂは回折格子レンズ１１のレンズ直径内の領域に設けられていることが好ましい。この領域外に設けられた段差は、回折段差６５Ｂとして機能しない。例えば、回折格子レンズを保持するためのレンズコバをレンズ基体の回折格子の外周に設ける場合がある。このコバによる段差が、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎｍπ以外の位置であったとしても、回折段差６５Ｂとしては機能しない。つまり、回折段差６５Ｂは回折格子５２の外周端以外の領域に設けられていることが好ましい。仮に、レンズコバによる段差が、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎｍπ以外の位置にある場合には、回折格子レンズ１１のレンズ直径内の領域に少なくとも他の回折段差６５Ｂが設けられていることが好ましい。
【００６２】
また、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎπ以外の位置であれば、回折段差６５Ｂを設ける位置は任意である。図２（ｃ）では、回折段差６５Ｂは、３π、７π、１１π・・・の位置に設けられていた。しかし、例えば、図４に示すように、回折段差６５Ｂを、５π、９π、１３π・・・の位置に設けた回折格子面の形状Ｓｂｐ２をレンズ基体５１の表面５１ｂに設けてもよい。
【００６３】
上述したように、本発明によれは、回折段差６５Ａおよび６５Ｂを、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎｍπになる位置、および、２ｎｍπ以外の位置に設け、輪帯６１Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａと、輪帯６１Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂとが、回折格子５２の光軸上において互いに異なる位置にあるため、輪帯６１Ａの幅と輪帯６１Ｂの幅を異ならせ、縞状フレアを低減、あるいは、目立たなくすることができる。詳細な検討の結果、回折段差６５Ｂの位置によって縞状フレアの低減効果が異なることが分かった。
【００６４】
図５（ａ）から（ｃ）は、本発明の特徴を理解しやすくするために、半径位置に対する位相差が線形的に変化すると仮定した位相関数による模式的な回折格子５２の表面形状を示した図である。図５（ａ）から（ｃ）において、破線は回折段差がすべて２ｎｍπの位置に設けられている場合の回折格子５２の表面形状を示している。
【００６５】
詳細な検討によれば、主要な集光位置から離れた位置に発生した縞状フレア光を低減させるためには、図５（ａ）のように、回折段差６５Ａを位相関数上の基準点からの位相差が２ｎｍπの位置に設け、回折段差６５Ｂを、位相差が（２ｎ−１）ｍπの位置に設けることが好ましい（図５（ａ）はｍ＝１の場合）。このように構成することによって、２つの輪帯幅の異なる輪帯により発生するフラウンホーファー回折の回折縞が互いに干渉し合い、効果的に縞状フレア光を低減することができる。この構成については、以下の実施例１において詳細において説明する。この場合、回折段差６５Ａおよび回折段差６５Ｂは交互に配置される。
【００６６】
また、ある特定位置に発生し、目立つ縞状フレア光を広範囲に分散させて目立ちにくくするためには、図５（ｂ）や（ｃ）のように、回折段差６５Ａおよび６５Ｂを、それぞれｉ個およびｊ個ずつ連続的に配置し、かつ、ｉ個の回折段差６５Ａおよびｊ個の回折段差６５Ｂを交互に配置することが好ましい。図５（ｂ）は、ｉ＝ｊ＝３の場合の回折格子５２の表面形状を示し、図５（ｃ）は、ｉ＝ｊ＝４の場合の回折格子５２の表面形状を示している。このような構成にすることによって、さまざまな縞間隔の縞状フレア光が発生し、縞の明暗のコントラストが小さくなるため、縞状フレアを目立たなくすることができる。この構成については、実施例２、３において詳細に説明する。
【００６７】
連続する回折段差６５Ａおよび６５Ｂの個数ｉ、ｊに特に制限はなく、また、回折段差６５Ａの個数ｉと回折段差６５Ｂの個数ｊとは異なっていてもよい。ｉおよびｊは好ましくは２個以上であり、レンズ直径内の輪帯本数の１／２以下である。効果的に縞状フレアを抑制するためには、ｉ、ｊは等しいことが好ましい。
【００６８】
このように縞状フレアを効果的に抑制するためには、回折段差６５Ａの分布密度および回折段差６５Ｂの分布密度が概ね等しいことが好ましい。具体的には、回折格子５２は、複数の回折段差６５Ａおよび複数の回折段差６５Ｂを含み、回折段差６５Ａおよび回折段差６５Ｂを交互に配置するか、ｉ（２以上の整数）個およびｊ（２以上の整数）個ずつ連続的に配置し、かつ、ｉ個の回折段差６５Ａおよびｊ個の回折段差６５Ｂを交互に配置することが好ましい。
【００６９】
このように本実施形態の回折格子レンズによれば、回折段差が、位相関数上の基準点からの位相差が、２ｎπになる位置、および、２ｎπ以外の位置に設けられる。これにより、位相差が２ｎπになる位置の回折段差の先端は、ベース形状を回折格子の光軸方向に平行移動させた第１の面上に位置し、位相差が２ｎπ以外になる位置の回折段差の先端は、ベース形状を光軸方向に平行移動させた第２の面上に位置しており、第１の面および前記第２の面は光軸上において互いに異なる位置にある。これにより、輪帯幅が異なる２種類の輪帯が回折格子に含まれ、輪帯幅が異なる２種類の輪帯によって生じる縞状フレアが互いに干渉し合い、縞状フレアの発生が抑制される。
【００７０】
本実施形態では、回折格子５２に２ｎｍπ以外の位置に設ける回折段差６５Ｂは、レンズ基体５１の第２の表面５１ｂの全面に設けられている。しかし、回折段差６５Ｂは、上述したように、回折格子の外周端を除く少なくとも１箇所に設けられていればよく、第２の表面５１ｂの外周近傍だけ、あるいは、中央部分だけなど、部分的に形成してもよい。特に、レンズ周辺部は輪帯のピッチが細かくなりやすいため、縞状フレア光が強く発生しやすい。このため、レンズ周辺部のみに回折段差６５Ｂを設けても、縞状フレアを十分に抑制し得る。
【００７１】
（第２の実施形態）
図６（ａ）は、本発明による回折格子レンズの第２の実施形態を示す断面図である。図６（ａ）に示す回折格子レンズ１２は、レンズ基体５１と、レンズ基体５１に設けられた回折格子５２と、回折格子５２を覆うようにレンズ基体５１に設けられた光学調整膜５４とを備える。レンズ基体５１は第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂを有し、第２の表面５１ｂに回折格子５２が設けられている。好ましくは、回折格子５２の回折段差を完全に埋めるように光学調整膜５４が設けられている。
【００７２】
回折格子５２が設けられたレンズ基体５１は、第１の実施形態の回折格子レンズ１１と同様の構造を備えている。
【００７３】
レンズ基体５１は第１の実施形態と同様、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなる。また、光学調整膜５４は、使用波長λにおいて屈折率ｎ2（λ）である第２の材料からなる。
【００７４】
回折格子５２の回折段差６５Ａ、６５Ｂの高さをｄとし、ｍを回折次数としたとき、レンズ直径内の領域の回折段差６５Ａ、６５Ｂのそれぞれは下記（２）で示す実質的に同じ高さｄを有している。
【数１１】
2011052188.tif 000057
【００７５】
好ましくは、使用波長λは可視光域の波長であり、可視光域の全域の波長λに対して式（２）を実質的に満足する。実質的に満足するとは、例えば以下の式(２’)の関係を満たすことを言う。
【数１２】
2011052188.tif 000058
【００７６】
この場合、可視光域の任意の波長λの光が式（２）を実質的に満足することにより、不要次数回折光が発生しなくなり、回折効率の波長依存性が非常に小さくなり、また、高い回折効率が得られる。
【００７７】
可視光域の任意の波長λの光が式（２）を実質的に満足するためには、可視光域の任意の波長λあるいは使用する光の波長帯域内においてｄがほぼ一定となるような波長依存性を持つ屈折率ｎ1（λ）の第１の材料と屈折率ｎ2（λ）の第２の材料とを組み合わせればよい。一般的には、屈折率が高く、波長分散の低い材料と屈折率が低く波長分散の高い材料とが組み合わされる。
【００７８】
より具体的には、第１の材料における屈折率の波長依存性と逆の傾向を示す屈折率の波長依存性を有する材料を第２の材料として選択すればよい。例えば、回折光学レンズ１２を使用する光の波長範囲において、第２の材料の屈折率は第１の材料の屈折率より小さく、かつ、第２の材料の屈折率の波長分散性は第１の材料の屈折率の波長分散性より大きい。つまり、第２の材料は第１の材料よりも低屈折率高分散材料であることが好ましい。
【００７９】
屈折率の波長分散性は、例えば、アッベ数によって表される。アッベ数が大きいほど屈折率の波長分散性は小さい。したがって、第２の材料の屈折率は第１の材料の屈折率より小さく、かつ、第２の材料のアッベ数は第１の材料のアッベ数よりも小さいことが好ましい。
【００８０】
好ましい第１の材料および第２の材料の組み合わせの例を以下の表１に示す。表１において、屈折率（ｎｄ）はｄ線での屈折率を示し、アッベ数（νｄ）は、ｄ線でのアッベ数である。なお、表１において第１の材料をレンズ基体５１の材料、第２の材料を光学調整膜５４の材料としてもよいし、第２の材料をレンズ基体５１の材料、第１の材料を光学調整膜５４の材料としてもよく、どちらの場合も式（２）を実質的に満足することにより、不要次数回折光が発生しなくなり、可視光域の全域において高い回折効率が得られる。
【００８１】
【表１】
2011052188.tif 000059
【００８２】
第１の材料および第２の材料として、ガラスや樹脂に無機粒子が分散したコンポジット材料を用いてもよい。コンポジット材料は、分散させる無機粒子等の種類や粒子の大きさ、添加量を調整することによってコンポジット材料全体の屈折率や波長分散性を調整するため、第１の材料および第２の材料として好適に用いることができる。
【００８３】
屈折率ｎ2（λ）が屈折率ｎ1（λ）より大きい場合、ｄは負の値となる。この場合、回折格子５２の第２の表面５１ｂ形状は、ベース形状に位相差関数による位相差を反転させて足し合わることによって得られる。図６（ｂ）は、屈折率ｎ2（λ）が屈折率ｎ1（λ）より大きい場合の回折格子レンズ１２’の構造を示している。
【００８４】
上述したように本実施形態の回折光学レンズ１２は、光学調整膜５４で回折格子５２が覆われている点で第１の実施形態の回折光学レンズ１１と異なっているが、光学調整膜５４が空気層であるとすれば、回折光学レンズ１１と回折光学レンズ１２とは同じ構造であるといえる。式（２）と式（１）とを比較すれば明らかなように、一般に光学材料である第２の材料の屈折率ｎ2（λ）は１より大きいため、第１の実施形態の回折光学レンズ１１の場合に比べて段差ｄは大きくなる。しかし、フラウンホーファー回折による回折縞の発生および本発明による縞状フレアの抑制効果は、波長に依存しない。このため、光学調整膜５４で回折格子５２が覆われていても、本実施形態の回折光学レンズ１２では第１の実施形態と同様、縞状フレアの発生が抑制される。また、使用波長域の全域で式（２）を満たすことにより、不要次数回折光によるフレアも低減することができる。
【００８５】
（第３の実施形態）
図７は、本発明による撮像装置の実施形態を示す模式的断面図である。撮像装置１３は、レンズ８１と、回折格子レンズ８２と、絞り５６と撮像素子５７とを備える。
【００８６】
レンズ８１は、レンズ基体５５を含む。レンズ基体５５の第１の表面５５ａおよび第２の表面５５ｂは、球面形状、非球面形状など、公知のレンズの表面形状を有している。本実施形態では、レンズ基体５５の第１の表面５５ａは凹形状を有し、第２の表面５５ｂは凸形状有している。
【００８７】
レンズ８２は、レンズ基体５１を含む。レンズ基体５１の第１の表面５１ａおよび第２の表面５１ｂ’のベース形状は、球面形状、非球面形状など、公知のレンズの表面形状を有している。本実施形態では、第１の表面５１ａは凸形状を有し、第２の表面５１ｂ’は凹形状有している。第２の表面５１ｂ’には第１の実施形態で説明した回折格子５２が設けられている。
【００８８】
レンズ８１の第２の面５５ｂから入射した被写体からの光は、レンズ８１およびレンズ８２によって集光され、撮像素子５７の表面において、結像し、撮像素子５７によって電気信号に変換される。
【００８９】
本実施形態の撮像装置１３は２枚のレンズを備えているが、レンズの数やレンズの形状に特に制限はなく、１枚であってもよいし、３枚以上のレンズを備えていてもよい。レンズ枚数を増やすことで、光学性能を向上させることができる。撮像装置１３が、複数のレンズを備える場合、回折格子５２は複数のレンズのうちのどのレンズに設けられていてもよい。また、回折格子５２が設けられた面は、被写体側に配置されてもよいし、撮像側に配置されてもよく、複数面であってもよい。ただし、回折格子５２が複数設けられていると回折効率が低下する。このため、回折格子５２は１面だけに設けられていることが好ましい。回折格子５２の輪帯形状は、必ずしも光軸５３を中心とした同心円状に配置されている必要はない。ただし、撮像用途の光学系において、収差特性を良好にするためには、回折格子５２の輪帯形状が光軸５３に対し回転対称であることが望ましい。また、絞り５６はなくてもよい。
【００９０】
本実施形態による撮像装置は、第１の実施形態で説明したい回折格子５２が設けられた回折格子レンズを備えているため、強い光源を撮影する場合にも縞状フレア光の少ない画像を得ることができる。
【００９１】
（第４の実施形態）
図８（ａ）は、本発明による光学系の実施形態を示す模式的断面図であり図８（ｂ）はその平面図である。光学素子１４は、レンズ基体５１とレンズ基体５８と備える。レンズ基体５１の一面には第１の実施形態で説明した構造を有する回折格子５２が設けられている。レンズ基体５８は回折格子５２と対応する形状を有する回折格子５２’’が設けられている。レンズ基体５１とレンズ基体５８とは所定の間隙５９を隔てて保持されている。
【００９２】
図８（ｃ）は、本発明による光学系他の実施形態を示す模式的断面図であり図８（ｄ）はその平面図である。光学素子１４’は、レンズ基体５１Ａとレンズ基体５１Ｂと光学調整膜６０と備える。レンズ基体５１Ａの一面には第１の実施形態で説明した構造を有する回折格子５２が設けられている。同様にレンズ基体５１Ｂにも回折格子５２が設けられている。光学調整膜６０は、レンズ基体５１Ａの回折格子５２を覆っている。光学基体５１Ａと光学基体５１Ｂとは、光学基体５１Ｂの表面に設けられた回折格子５２と光学調整膜６０との間に間隙５９’が形成されるように保持されている。
【００９３】
回折格子を設けたレンズ基体が積層された光学素子１４および光学素子１４’においても、第１の実施形態で説明したように、回折格子５２が設けられているため、縞状フレアの発生が抑制される。
【実施例１】
【００９４】
第１の実施形態の回折光学レンズ１１を作製し、縞状フレアの発生を抑制する効果を調べた結果を説明する。本実施例では、図１に示す回折光学レンズ１１において、回折段差６５Ａを位相関数上の基準点からの位相差が２ｎπの位置に設け、回折段差６５Ｂを位相差が（２ｎπ−２π×Ｓ）の位置に設けた。Ｓは０から０．９までの間で０．１ずつ変化させた。回折段差６５Ａおよび６５Ｂは交互に配置した。図９Ａ（ａ）から（ｅ）および図９Ｂ（ｆ）から（ｊ）は、回折段差６５Ｂを、位相関数上の基準点からの位相差が（２ｎπ−２π×Ｓ）（Ｓ＝０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７，０．８、０．９）の位置に設けた場合の回折格子の形状を模式的に示している。便宜上、図９Ａおよび図９Ｂでは、輪帯ピッチを等ピッチで表示しているが、実際の回折格子レンズは（数１）のａ１以外の高次の項も用い回折格子を設計しており、図２（ｂ）に示すように回折段差のピッチは変化する。回折次数は１次を用いた。回折格子レンズの回折格子の段差高さを０．９ｍｍとし、設計波長および使用波長を５３８ｎｍとし、使用波長でのレンズ基体５１の屈折率ｎ1を１．５９１とした。空気の屈折率は１とした。
【００９５】
図１（ｂ）を参照して第１の実施形態で説明したように、回折段差６５Ｂを設ける位置を２ｎπから２π×Ｓ（Ｓ＝０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７，０．８、０．９）だけシフトさせた場合、輪帯６１Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａと、輪帯６１Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂとの回折格子５２の光軸上における間隔Ｌはｄ×Ｓ（Ｓ＝０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７，０．８、０．９）となる。図１０Ａ（ａ）から（ｆ）および図１０Ｂ（ｇ）から（ｊ）は、図９Ａ（ａ）から（ｅ）および図９Ｂ（ｆ）から（ｊ）に示す構造を有する回折格子レンズに、それぞれ画角６０度の方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像である。
【００９６】
これらの図のうち、図１０Ａ（ｆ）はＳ＝０．５（５０％）であり、回折段差６５Ｂを位相関数上の基準点からの位相差が（２ｎπ−２π×０．５）つまり、２（ｎ−１）πの位置に設けた場合の回折格子の形状を模式的に示している。また、図１０Ａ（ｆ）はその構造により得られた２次元像を示している。また、図１０Ａ（ａ）は、Ｓ＝０(０％）であり、回折段差６５Ｂを位相関数上の基準点からの位相差が（２ｎπ−０）つまり、２ｎπの位置に設けた従来の回折格子の形状を模式的に示している。また、図１０Ａ（ａ）はその構造により得られた２次元像を示している。
【００９７】
図１０Ａ（ｆ）に示すように、縞状フレア光は中心部にのみ見られ、周辺部のフレア光量が低減できている。中心部に集約された縞状フレア光は、メインの光と連なるため、目立ちにくくなる。これに対し、図１０Ａ（ａ）に示すように、従来の回折格子レンズでは、縞状フレア光が中心部から離れた位置に発生し明瞭に広がっている。この場合、本来発生するはずがないところに明瞭な光の帯が存在するため、画像を見たときに目立ってしまう。図１０Ａ、図１０Ｂの２次元像上に示す数字は縞状フレア光の最大強度比率である。具体的には、点線枠内をメインの光、点線枠外を縞状フレア光と考え、点線枠内の光強度の最大値に対する点線枠外の光強度の最大値の比率を示している。図１０Ａ（ａ）では縞状フレア光の最大強度が０．１７％であるのに対し、図１０（ｆ）では０．０２６％に低減できていることが分かる。この結果から、実施例１では、位相関数上の基準点からの位相差が（２ｎ−１）πのところに回折段差を設けることで、縞状フレア光が中心部に集約し、周辺部の目立つフレア光を大幅に低減できることが分かる。回折格子レンズは、一般に、レンズ面の周辺になるほど輪帯ピッチが細かくなり、輪帯ピッチがレンズ面の中心と周辺部で大きく変化する。このような場合、輪帯ピッチに応じたさまざまな縞間隔の縞状フレア光が発生してしまう。しかし、実施例１のように２ｎπと（２ｎ−１）πの位置に交互に回折段差を配置することによって、縞状フレアを低減できる。
【００９８】
図９Ａ（ａ）から（ｅ）および図９Ｂ（ｆ）から（ｊ）に示すように、Ｓが０から大きくなるにつれて、２ｎπ以外の位置に設ける回折段差６５Ｂの位置もシフトする。Ｓ＝０．９の回折格子レンズ形状は、Ｓ＝０の形状に近づくわけではなく、回折段差高さが２倍であるｍ＝２（２次回折光利用）の回折格子レンズの構成に近くなる。ただし、各回折段差６５Ａ、６５Ｂの高さは第１の実施形態で説明したようにｄである。
【００９９】
図１０Ａ（ａ）から（ｆ）および図１０Ｂ(ｇ)から（ｊ）に示す結果から、Ｓが０から０．５に近づくにつれて、縞状フレア光の最大強度比率は小さくなることが分かる。また、Ｓが０．５より大きくなると、縞状フレア光の最大強度比率も増大する。
【０１００】
図１１はＳの値と縞状フレア光の最大強度比率との関係をまとめたグラフである。図１１から分かるように、シフト量Ｓを０．４（４０％以上）０．９にすることによって、縞状フレア光の最大強度比率が約０．０５％以下となり、縞状フレア光を大幅に低減できることが分かる。さらに好ましくは、シフト量を０．４以上０．６以下にすることによって、縞状フレア光の最大強度比率を０．０４％以下にすることができる。シフト量Ｓは０．５にすることが最も好ましい。これにより点線枠外の縞状フレア光を全体的に目立ちにくくすることができる。
【０１０１】
輪帯６１Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａと、輪帯６１Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂとの回折格子５２の光軸上における間隔Ｌでこの条件を示す場合、間隔Ｌは、０．４ｄ以上０．９ｄ以下であることが好ましく、０．４ｄ以上０．６ｄ以下であることがより好ましく、０．５ｄであることが最も好ましいといえる。本実施例では、回折段差６５Ｂをシフトさせる方向は図９Ａ、図９Ｂにおいて左側であったが、逆方向（右側）にシフトさせて同様の結果が得られる。
【実施例２】
【０１０２】
本実施例では、図１２に示すように位相関数上の基準点からの位相差が（２ｎπ−２π×Ｓ）の位置において連続的に３つ回折段差を設け、２ｎπのところに連続的に３つ回折段差を設け、これらを交互に配置した。回折次数は１次を用いた。回折格子レンズの回折格子の段差高さを０．９μｍとし、設計波長および使用波長を５３８ｎｍとし、使用波長でのレンズ基体５１の屈折率ｎ1を１．５９１とした。空気の屈折率は１とした。
【０１０３】
図１３（ａ）から（ｅ）は、Ｓ＝０．１から０．５まで０．１ずつ段階的に変化させた回折格子レンズに画角６０度方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像を示している。図１４は、縞状フレア最大強度比率とシフト量Ｓとの関係を示したグラフである。図１３より、シフト量Ｓが０．３および０．４の場合、図１０Ａ（ａ）と比較して、明瞭な光の帯となっていた縞状フレア光をバランスよく分散さえることができ、画質的にフレアが目立ちにくくできていることが分かる。また、図１４から、縞状フレアの最大強度比率も比較例に比べ大幅に低減できていることが分かる。
【実施例３】
【０１０４】
本実施例では、図１５に示すように位相関数上の基準点からの位相差が（２ｎπ−２π×Ｓ）の位置において連続的に６つ回折段差を設け、２ｎπのところに連続的に６つ回折段差を設け、これらを交互に配置した。回折次数は１次を用いた。回折格子レンズの回折格子の段差高さを０．９μｍとし、設計波長および使用波長を５３８ｎｍとし、使用波長でのレンズ基体５１の屈折率ｎ1を１．５９１とした。空気の屈折率は１とした。
【０１０５】
図１６（ａ）から（ｅ）は、Ｓ＝０．５から０．９まで０．１ずつ段階的に変化させた回折格子レンズに画角６０度方向から波長５３８ｎｍの平面波を入射させたときの焦点面上における２次元像を示している。図１７は、縞状フレア最大強度比率とシフト量Ｓとの関係を示したグラフである。図１７のグラフには、Ｓが０．４以下の場合の結果も示している。図１６より、シフト量Ｓが０．６および０．７の場合、図１０Ａ（ａ）と比較して、明瞭な光の帯となっていた縞状フレア光をバランスよく分散さえることができ、画質的にフレアが目立ちにくくできていることが分かる。また、図１７から、縞状フレアの最大強度比率も比較例に比べ大幅に低減できていることが分かる。
【０１０６】
また、図１１、１４、１７のグラフよりシフト量Ｓが０．１あたりから縞状フレア光の低減効果が大きく現れ始める。したがって、位相関数上の基準点からの位相差が２ｎπ以外のところに設ける回折段差の位置は２ｎπから１０％以上シフトしていることが好ましい。このとき、輪帯６１Ａの先端６３Ａが位置する第１の面６６Ａと、輪帯６１Ｂの先端６３Ｂが位置する第２の面６６Ｂとの回折格子５２の光軸上における間隔Ｌでこの条件を示す場合、間隔Ｌは、０．１ｄ以上であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本発明の回折格子レンズおよびそれを用いた撮像装置は、縞状のフレア光を低減する機能を有し、高品質なカメラとして特に有用である。
【符号の説明】
【０１０８】
１１、１２、１２’    回折格子レンズ
１３    撮像装置
１４、１４’    光学素子
６１Ａ、６２Ｂ    輪帯
６５Ａ、６５Ｂ    回折段差
５１  １７１    レンズ基体
６２    絞り
１６１、ｄ  回折格子の段差高さ
５２  回折格子
５３  光軸
１５７、１７４  撮像素子
１７５  １次回折光
１７６  不要次数回折光
１８１  光学調整膜
１９１  縞状フレア光
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース形状に回折格子が設けられてできる表面を有するレンズ基体を備える回折格子レンズであって、
前記回折格子は、前記レンズ基体のレンズ直径内の領域において複数の輪帯および前記複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の回折段差を有し、
前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、
前記複数の回折段差のそれぞれは、実質的に同じ高さｄを有し、
前記高さｄは、ｍを回折次数として、下記式（１）を満足し、
【数１３】
2011052188.tif 000060
前記複数の回折段差は、複数の第１の回折段差および前記複数の第１の回折段差の少なくとも１つに隣接する少なくとも１つの第２の回折段差を含み、
前記複数の第１の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記回折格子の光軸方向に平行移動させた第１の面上に位置しており、前記少なくとも１つの第２の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記光軸方向に平行移動させた第２の面上に位置しており、
前記第１の面および前記第２の面は前記光軸上において、互いに異なる位置にある回折格子レンズ。
【請求項２】
ベース形状に回折格子が設けられてできる表面を有するレンズ基体と、
前記レンズ基体の表面を覆うように設けられた光学調整膜と
を備える回折格子レンズであって、
前記回折格子は、前記レンズ基体のレンズ直径内の領域において複数の輪帯および前記複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の回折段差を有し、
前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、
前記光学調整膜は、前記使用波長λにおいて屈折率ｎ2（λ）である第２の材料からなり、
前記複数の回折段差のそれぞれは、実質的に同じ高さｄを有し、
前記高さｄは、ｍを回折次数として、下記式（２）を満足し、
【数１４】
2011052188.tif 000061
前記複数の回折段差は、複数の第１の回折段差および前記複数の第１の回折段差の少なくとも１つに隣接する少なくとも１つの第２の回折段差を含み、
前記複数の第１の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記回折格子の光軸方向に平行移動させた第１の面上に位置しており、前記少なくとも１つの第２の回折段差の先端は、前記ベース形状を前記光軸方向に平行移動させた第２の面上に位置しており、
前記第１の面および前記第２の面は前記光軸上において、互いに異なる位置にある回折格子レンズ。
【請求項３】
前記複数の回折段差は、複数の第２の回折段差を含み、
各第１の回折段差および各第２の回折段差は交互に配置されている請求項１または２に記載の回折格子レンズ。
【請求項４】
前記第１の面と前記第２の面と前記光軸上における間隔Ｌは、下記式（３）を満たす請求項１から３のいずれかに記載の回折格子レンズ。
【数１５】
2011052188.tif 000062
【請求項５】
前記第１の面と前記第２の面と前記光軸上における間隔Ｌは、下記式（４）を満たす請求項１から３のいずれかに記載の回折格子レンズ。
【数１６】
2011052188.tif 000063
【請求項６】
前記第１の面と前記第２の面と前記光軸上における間隔Ｌは、Ｌ＝０．５ｄを満たす請求項１から３のいずれかに記載の回折格子レンズ。
【請求項７】
前記複数の回折段差は、複数の第２の回折段差を含み、
前記複数の第１の回折段差および前記複数の第２の回折段差は、それぞれ、ｉ個（ｉは２以上の整数）およびｊ個（ｊは２以上の整数）ずつ連続的に配置され、かつ、ｉ個の前記第１の回折段差およびｊ個の前記第２の回折段差が交互に配置されている請求項１または２に記載の回折格子レンズ。
【請求項８】
前記使用波長λは可視光域の波長であり、可視光域の全域の波長に対して式（２）を実質的に満足する請求項２または３に記載の回折格子レンズ。
【請求項９】
ベース形状に回折格子が設けられてできる表面を有するレンズ基体を備える回折格子レンズであって、
前記回折格子は、複数の輪帯および前記複数の輪帯間にそれぞれ位置する複数の回折段差を有し、
前記レンズ基体は、使用波長λにおいて屈折率ｎ1（λ）である第１の材料からなり、
前記複数の回折段差のそれぞれは、ｍを回折次数として、下記式（１）で示される高さｄを有し、
【数１７】
2011052188.tif 000064
前記複数の輪帯は、隣接する第１、第２および第３の輪帯を含み、前記第２の輪帯は前記第１および第３の輪帯に挟まれており、前記第１の輪帯および第３の輪帯の幅は略同一であり、前記第２の輪帯の幅は前記第１の輪帯の幅よりも狭い回折格子レンズ。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載の回折格子レンズと、
撮像素子と
を備えた撮像装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
2011052188.tif 000073
【図９Ｂ】
2011052188.tif 000074
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
2011052188.tif 000077
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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